Je kleiner desto besser: Miniaturisierung von HF-Komponenten – Teil 1

Um eine weltweite Netzabdeckung zu gewährleisten und die Marktnachfrage global zu bedienen, müssen Smartphones, Tablets und andere Mobilgeräte mehr HF-Bänder als je zuvor unterstützen und eine zunehmende Anzahl von Drahtlosfunktionen anbieten. Die dafür notwendigen HF-Schaltungen werden zwar immer komplexer, die Geräte selbst müssen jedoch kompakt bleiben – oder sogar bei jedem neuen Modell noch kompakter werden. Vor diesem Hintergrund wissen die Designer natürlich, dass höhere Frequenzen kleinere Komponenten erfordern. Besonders Antennen und Induktivitäten können auf die Größe von SMD-Bausteinen schrumpfen oder sogar direkt in die Leiterplatte integriert werden. Auch integrierte Schaltkreise tragen zu der Miniaturisierung bei, da ihre Prozessgeometrie die Integration von kompletten HF-Sektionen ermöglichen, in denen sich digitale Funktionen nahtlos mit dem analogen Bereich von HF-Modulation, Demodulation, Antennenanpassung und Wellenausbreitung verbinden.

Dieser Artikel befasst sich mit der Miniaturisierung von einigen wichtigen Komponenten und Systemen, mit denen Designer die nächste Generation von Wireless-Geräten entwickeln können: noch kleinere und effizientere Mobilgeräte und Funksysteme (das Internet der Dinge lässt grüßen!). In diesem ersten Teil befassen wir uns mit den neuesten passiven Komponenten, die mehrere einzelne Bausteine in kleinere, SMD-Versionen integrieren, um Platz zu sparen, Kosten zu senken und die Leistung zu verbessern.

Diese Komponenten sind sinnvoll in modernen, hochintegrierten Standard-Funk-Transceiver-Chips, die bereits kleinformatige Lösungen anbieten. Da sich diese Standards bereits in der dritten oder vierten Generation befinden, sind die integrierten passiven Komponenten hoch optimiert und enthalten Miniatur-Frontends, Filter, Baluns, und verschiedene andere Bausteine, die sich für Einzelstandard-Lösungen wie WLAN oder Multistandard-Protokolle wie WLAN-Bluetooth-Kombinationen eignen.

In Teil 2 werden wir uns mit aktiven Komponenten wie HF-Transistoren, Mischern, Modulatoren und Verstärkern für Funksysteme der nächsten Generation befassen. Diese Funkbausteine können für Prototypen und auch die Fertigung von Spezialfunkanwendungen sinnvoll sein, die nicht in hohem Maße standardisiert sind. Hier können SoC-Multichip-Module oder Trägerplatinen verwendet werden, um die Impedanzen und Antenneneigenschaften präziser einzuhalten. Es sei darauf hingewiesen, dass bei der Großserienfertigung stärker integrierte anwendungsspezifische Siliziumbausteine die beste Lösung sind, um die Kosten und den Platzbedarf zu senken, bis die IC-Hersteller in der Entwicklung aufgeholt haben. Doch selbst in diesem Fall sind die hier diskutierten Komponenten immer noch nützlich. Alle Teile, Datenblätter, Tutorials und Entwicklungs-Kits, auf die hier verwiesen wird, finden Sie auf der Website von DigiKey.

Diskret soll es sein

Wer bereits in der Vergangenheit an Projekten mit Funksystemen gearbeitet hat, der weiß, dass diskrete und passive Komponenten ein integraler Bestandteil des Designs sind – von der Frontend-/Antennenabstimmung bis hin zu Mischern mit engen Toleranzen, Oszillatoren, Transformatoren, Modulatoren, Filtern, Schaltern, Diplexern und so weiter. Viele dieser Funktionen sind bereits integriert. Dies ist aber nicht immer wünschenswert, besonders während der Entwicklung. So werden beispielsweise immer Filter benötigt, um Außerbandsignale zu unterdrücken bzw. auf einen sehr niedrigen Pegel zu dämpfen, während die gewünschten Bänder bei voller Leistung gehalten werden. Zu den diskreten Filtern gehören LC-, dielektrische und SAW-Filter (Tabelle 1).

Tabelle 1: Eigenschaften monolithischer Filter.

Während einfache Filter aus wenigen sehr kleinen Widerständen, Kondensatoren und Induktivitäten bestehen können, sind mit komplexeren Strukturen zusätzliche Stufen und Pole möglich.

ICs gelten nicht als die besten Filter. In der Regel können mit der CMOS-Prozesstechnologie nur Induktivitäten mit einem Q-Faktor von weniger als 10 hergestellt werden. Mit Kupfer- und Metallisierungstechniken kann der Q-Faktor auf etwa 20 verdoppelt werden. Das Problem besteht darin, dass zur Minimierung der Einfügedämpfung der Q-Faktor in den Hunderten liegen muss. Derzeit können dies nur diskrete Filter leisten.

Filter werden im Funksystem innerhalb und außerhalb der Silizium-Barriere eingesetzt (Abbildung 1). Hierbei werden externe Filter für die Antennenabstimmung und für Signalpfade benötigt, um die Empfangsdaten zu beschneiden und Sendedaten möglichst mit geringer Dämpfung bzw. völlig ohne Dämpfung durchzuleiten. Dies ist besonders wichtig, wenn zum Senden und Empfangen bzw. mit mehreren Protokollen nur eine Antenne verwendet wird.

Abbildung 1: Filter werden innerhalb und außerhalb der HF-Transceiver in großem Umfang benötigt. Eine bessere Leistung der externen diskreten Bausteine führt dazu, dass interne ZF- und Basisband-Filter mit den verschiedenen Protokollen und Bändern einen gemeinsamen Pfad nutzen können.

Sowohl für die heutigen Standard-Funksysteme als auch für die HF-Systeme der nächsten Generation geeignet sind die kleineren, stärker integrierten Filterblöcke wie der Einzelchip-Bandpassfilter von Johanson 2450BP07A0100T, der für das 2,4-GHz-WLAN-Band optimiert ist.

Beachten Sie, dass mit diesen monolithischen Baugruppen eine bessere Komponentenabstimmung möglich wird. Denn es ist wesentlich schwieriger, die Bauteileigenschaften unter Komponenten abzustimmen, die in verschiedenen Produktionsprozessen hergestellt werden. Deshalb können die Toleranzen dieser Kombinationsteile höher sein als die Toleranzen, die mit diskreten Komponenten mühelos erreichbar sind.

In diesem Fall bieten die Bauteile der Größe 0402 Bandbreiten von 100 MHz und eine schmale Mittenfrequenz von 2,45 GHz bei sehr kleiner Fläche von 1 x 0,5 mm und nur 0,43 mm Höhe. Ein weiterer Vorteil von Bauteilkombinationen besteht darin, dass bei der Ausrichtung der Komponenten häufig 3-D-Stackups genutzt werden können, um Rauschen und Interferenzen zwischen den Stufen zu reduzieren.

Johanson bietet ein Produktschulungsmodul an, das beschreibt, wie integrierte Einzelchip-Filter durch ihren Herstellungsprozess mehr Leistung, Zuverlässigkeit und Konsistenz bieten. Beachten Sie, dass verschiedene dieser Bauteile kombiniert werden können, um die Leistung zu verbessern. Beispielsweise können durch Hinzufügen des Tiefpassfilters TDK DEA102500LT-6307A1 höhere Frequenzen im Dualband (z. B. 5 GHz in höherfrequenten WLANs) wirkungsvoller unterdrückt werden. Das Kaskadieren von Filterelementen gleicht dem Hinzufügen von Polen zu einem Filter und kann die Leistung verbessern. Jedoch wird dadurch auch das Signal gedämpft, so dass besonders im Mehrbandbetrieb ein empfindlicherer Frontendverstärker erforderlich sein kann.

Am gleichen Antennenpunkt wie der 2,4 GHz-Tiefpass- und Bandpassfilter könnte auch ein höher frequenter Bandpassfilter für 5 GHz wie der TDK DEA105425BT-1293A1 ansetzen. Das Demo-/Entwicklungs-Kit 445-7845-KIT von TDK ermöglicht das Experimentieren mit 900 MHz und 2,4 GHz und enthält mehrere Diplexer und Filter, die auf gängige Protokolle zugeschnitten sind.

Im Band experimentieren

In einem bestimmten Frequenzband arbeitet nicht nur ein einziges Protokoll. Im 2,4-GHz-ISM-Band müssen zum Beispiel WLAN, Bluetooth, ZigBee, W6LowPan, ANT +, GSM, DECT und einige andere Protokolle vorhanden sein. Sie belegen Energien in dem Spektrum und nutzen möglicherweise verschiedenen Modulationstechniken und Frequenzsprungalgorithmen. Daher ist es sinnvoll, Filter auszuwählen, die unterschiedliche Bandeigenschaften (wie Bandbreite und Datenraten) unterstützen.

Nehmen wir zum Beispiel den keramischen Mehrschichtfilter Taiyo Yuden FI105L250014-T, der für WLAN und Bluetooth ausgelegt ist. In gleicher Weise eignet sich der Johanson 1810BP07B200T für zellulare GSM- und CDMA-Anwendungen. Wenn eine Übertragungsstrecke mehrere interoperable Bänder und Protokolle bedienen muss, sind möglicherweise Induktor-basierte Gleichtaktfilter nützlich, um nur die gewünschten Signale zu den Filtern und Demodulatoren weiterzuleiten. Diese Bauteile werden auch immer kleiner. Nehmen wir zum Beispiel die integrierten passiven Komponenten von Johanson Technology oder die Dünnschichtfilter der Serien ACMF-03- und ACMF-04 von Abracon, die bis 6 GHz ausgelegt sind. Die Integration bietet sehr gute Temperaturbereiche (-55º bis + 150°C) mit einer Impedanz von 35 Ω bei Abracon's ACMF-03-350-T, 65 Ω für den ACMF-03-650-T und 90 Ω für den ACMF-04-900-T. Beachten Sie, dass Bauteile verschiedener Chiphersteller für Übertragungswege mit einer anderen Impedanz als 50 Ω optimiert sein können. Beachten Sie auch die Eigenschaften der Bauteile, die in den Referenzdesigns angegeben sind.

Einige Funktionen (wie z. B. GPS) sind nicht für die gemeinsame Nutzung von Antennen bzw. gedruckten Antennen geeignet. Eine spezielle Frontend-Elektronik kann z. B. beim Empfang eines schwachen Satellitensignals den entscheidenden Unterschied ausmachen. So können Spezialantennen eingesetzt und unabhängig platziert werden, um einen optimalen Empfang zu gewährleisten. Auch die Spezialschaltungen für GPS mit reduziertem Formfaktor werden immer mehr verfeinert. Die HF-SAW-Filter z. B. von Murata Electronics sind speziell für GPS-Empfänger ausgelegt.

Baluns

Baluns sind ähnlich wie Filter. Sie dienen jedoch als Schnittstelle zwischen Halbleiter-Sender und Platine. SMD-Antennen sind Baluns, die unsymmetrische Übertragungsleitungen in Differentialtreiber für die Antenne verwandeln. Differentialverbindungen sind der Schlüssel zur Minimierung von Gleichtaktstörungen und können die Signalqualität deutlich verbessern.

Baluns können ein halbes Dutzend diskrete Komponenten in ein einziges, kleines SMD-Bauteil integrieren (Abbildung 2). Sie sind für Standardfrequenzen und Universalfrequenzen verfügbar. Sie wirken als Impedanzwandler zur Leistungsanpassung, haben die Eigenschaften einer Übertragungsleitung und können sehr spezifische Masseflächen und Leiterplattenmaterialien erfordern.

Abbildung 2: Monolithische Baluns absorbieren mehrere kritische Komponenten und bieten im Vergleich zu diskreten Lösungen eine besser ausgewogene Abstimmung der Komponenten.

Da ein Balun die direkte Schnittstelle für den Sendepfad zur Antenne bildet, muss es auch in der Lage sein, die Leistungspegel zu bewältigen, die der maximal zulässigen Energie in diesem Frequenzband zugeordnet sind. In der Regel kann ein Balun mehrere Watt an Leistung bewältigen.

Nehmen wir zum Beispiel die Serie 2450 von Johanson (2450BL15B100E) für WLAN und Bluetooth. Der Baustein teilt dieselben Trägerfrequenzen, gibt mühelos beide Modulationstechniken für WLAN und Bluetooth weiter und kann mit einer Impedanz von 50 oder 100 Ω bis zu 3 W bewältigen.

Für Datenverbindungen, die Vollduplex erfordern, können die modernen Duplexer und Diplexer über eine HF-Sektion senden, während gleichzeitig von derselben Antenne ein anderes Signal empfangen wird (Abbildung 3). Manche Komponenten passen in das kleine 3-polige SMT-CSP-Gehäuse, wie das Avago ACMD-7402-BLK, oder sogar in ein 0402-Gehäuse, wie die Dünnschicht-Diplexer TDK TFSD10055950-5102A2 oder TDK DPX165850DT-8017A1 für 2,4- und 5-GHz-WLANs wie 802.11n.

Abbildung 3: Die gut gedämpften Hoch-, Tief- und Bandpassfilter in monolithischen Duplexern und Diplexern sind sehr funktionstüchtig, indem sie nur die erwünschten Frequenzen weiterleiten und den Rest unterdrücken.

Spiele auf der Platine

Bei den modernen Frequenzbändern mit kurzen Wellenlängen haben sich Platinenantennen als kostengünstige und recht zuverlässige Sende-/Empfangsantennen bewährt. Für viele solcher Designs sind sehr spezifische Masseflächen und Sperrflächen erforderlich.

Folglich erfreuen sich externe Antennen einiger Beliebtheit, da sie eine flexible Antennenplatzierung ermöglichen. Dies kann zu besseren Leistungen führen, wenn die Sende-/Empfangspunkte weit entfernt von störenden Digitalleitungen platziert werden. Embedded Mikrocontroller können sogar auf der Basis von RSSI-Informationen in Echtzeit verschiedene Antennen selektieren.

Für diese flexible Anwendung sind verschiedene monolithische SMD-Antennen mit guten Leistungen und geringen Kosten verfügbar, unter anderem die TDK ANT016008LCD2442MA1 (Abbildung 4) – eine hocheffiziente keramische Mehrschichtantenne für Dualband (2,4 und 5 GHz) in einem 0603-SMD-Gehäuse. Sie ist nur 0,4 mm hoch und damit für die meisten kompakten ISM-Designs sehr gut geeignet.

Abbildung 4: Mehrschicht-Keramikantennen sind so klein und kompakt, dass sie oft weniger Platz benötigen als eine einzelne, diskrete passive Komponenten.

Eine weitere interessante Option ist eine eine Antenne für die Eckmontage. Sie hat den Vorteil, dass sie fern von Störeinflüssen montiert werden kann, was bei Lösungen, die in der Mitte oder an der Seitenkante der Platine montiert werden, häufig nicht möglich ist.

Die Antenova A10464 für GSM-Anwendungen ist weniger als 0,5 mm hoch, lässt sich an der Ecke der Platine montieren und braucht nur wenig Massefläche (Abbildung 5). Bei mobilen Telefonhörern kann der Übertragungsweg durch den Kopf des Sprechers behindert werden. Hier ermöglicht die Eckmontage freie Übertragungswege und bietet bessere Möglichkeiten für freie Sichtstrecken zu Sendetürmen oder Satelliten.

Abbildung 5: Die Eckmontage kann den Übertragungsweg für Handheld-Anwendungen verbessern, zum Beispiel für Telefone, bei denen der Kopf des Sprechers unter Umständen die Signale dämpft.

Fazit

Die in großer Zahl eingesetzten Standard-Funksysteme werden immer kleiner, um eine bessere Integration in andere verkabelte oder kabellose Kommunikationssysteme zu ermöglichen. Hochintegrierte Bausteine liefern für die aktiven Komponenten des Designs und für bereits etablierte und unterstützte Protokolle recht gute Leistungen. Externe, diskrete und passive Bausteine eignen sich jedoch häufig besser, wenn es um die Optimierung von Leistung und Kosten geht. Teil 2 dieser Serie befasst sich mit den aktiven HF-Komponenten als diskrete Bausteine und in Chip-Form.

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