原标题：如何在高性能射频信号链中优化SWaP

　　从智能手机到笔记本电脑、平板电脑、可穿戴设备、无人机、接入点以及智能家居和支持物联网 (IoT) 的设备，对高性能无线连接的需求不断增加。对于这些设备的设计人员来说，一个关键的差异化因素是最终用户体验，这在很大程度上取决于无线信号的质量、吞吐量和可靠性，以及电池寿命。设备尺寸和重量也是重要的差异化因素，尤其是在可穿戴设备中。对于设计人员而言，优化这些参数需要仔细研究射频 (RF) 信号链的各个方面，这对于专家和射频新手来说都是一项艰巨的挑战。

　　本文回顾了射频信号链的各个部分，并描述了天线调谐器、射频交叉开关、天线分集开关、低噪声放大器 (LNA) 和低噪声射频晶体管如何为高性能解决方案做出贡献，并探讨了控制界面选项。然后介绍英飞凌的示例性组件，并展示它们如何支持高性能射频设计 ，同时满足日益苛刻的尺寸、重量和功率 (SWaP) 要求。最后通过比较紧凑型射频解决方案的两个小型无铅封装 (TSNP) 选项来结束。

　　天线要领

　　天线性能在当今的连接设备中至关重要。调谐可以使单个天线在多个频带中提供良好的性能，并有助于实现更紧凑、更高效的解决方案。设计人员可以在射频信号链的天线调谐器部分使用开关，以最大限度地提高天线的功率传输，并根据特定应用要求优化性能(图 1)。

　　图 1：天线调谐开关用于调谐器部分以优化天线性能。(图片来源：英飞凌)

　　射频交叉开关

　　在许多应用中，天线调谐是确保最佳性能的必要条件，但不是充分条件。在这些情况下，可能需要不止一根天线。可以在信号链中添加一个 RF 交叉开关，以便通过增加发射功率或接收器灵敏度来选择在给定情况下提供最佳性能的天线(图 2)。射频交叉开关需要提供高效和快速的切换以支持有用的天线交换，并且它们需要具有高隔离度、低插入损耗和产生低谐波以支持高效和可靠的系统运行。

　　图 2：使用射频交叉开关可以为上行链路或下行链路选择性能最佳的天线。(图片来源：英飞凌)

　　分集开关和 LNA

　　有时，切换到最好的天线仍然不足以支持所需的带宽。发生这种情况时，会在 RF 信号链中添加一个称为分集路径的附加通道。天线分集提高了传输和接收的质量和可靠性。分集开关用于从 Wi-Fi 网络设备到智能手机和平板电脑的一系列应用中。这些开关可用于补偿信号接收中的多径干扰。接收器监控输入信号并根据相对信号强度在天线之间切换。与射频交叉开关的情况一样，分集开关需要具有高隔离度、低插入损耗并产生低谐波。

　　LNA 是射频信号链的另一个关键部分(图 3)。与天线管理的各种方法一样，使用 LNA 可以提高接收质量并提高数据速率。LNA 具有固定增益或可用于微调性能的多个增益步长。基于单片微波集成电路 (MMIC) 技术的 LNA 传统上是使用砷化镓 (GaAs) 技术生产的。最近开发的硅锗 (SiGe) LNA MMIC 可以以较低的成本支持所需的频率。LNA 是高度紧凑的器件，可以很容易地集成到非常小的封装中。此外，LNA MMIC 还具有集成的静电放电 (ESD) 保护功能，

　　图 3：使用分集开关和 LNA 有助于提高接收质量并提高数据速率。(图片来源：英飞凌)

　　控制接口

　　天线调谐开关、交叉开关和分集开关通常需要与系统控制器的接口。在简单的实现中，通常使用通用输入/输出 (GPIO) 接口。GPIO 是 IC 上未提交的软件可控信号引脚，可根据需要进行编程以充当输入或输出，或两者兼而有之。

　　对于更复杂的控制需求，一般采用移动工业处理器接口(MIPI)标准。MIPI 射频前端 (RFFE) 控制接口经过优化，可用于高性能射频信号链，以提供快速、半自动化和广泛的控制功能。MIPI RFFE 每条总线最多可包含 19 个设备(最多 4 个领导设备和 15 个从设备)。它专为与 LNA、天线调谐器、开关、功率放大器和滤波器一起使用而设计。MIPI RFFE 可以促进射频信号链的设计、配置和集成，并支持使用来自不同供应商的组件。

　　MIPI可控LNA

　　设计人员可以将英飞凌的BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA 用于高性能射频信号链。MIPI 接口可以控制 8 种增益模式和 11 种偏置模式，通过主动适应 RF 环境中不断变化的条件来增加系统动态范围(图 4)。它设计用于 1.4 到 2.7 吉赫 (GHz) 之间的 3GPP 频段(主要用于 B1、B3、n41 和 B21 频段)。它可以在 5.8 毫安 (mA) 的电流下提供 0.6 分贝 (dB) 的噪声系数和高达 20.2 dB 的增益。它在 1.1 至 2.0 伏的电源电压下工作，并符合 JEDEC47/20/22 的工业应用标准。

　　图 4：此 LNA 上的 MIPI 接口可以控制 8 种增益操作模式和 11 种偏置模式以优化性能。(图片来源：英飞凌)

　　它具有多种功能，有助于满足具有挑战性的 SWaP 要求，包括：

　　尺寸：九针 TSNP-9 尺寸为 1.1 × 1.1 毫米 (mm)，其 0.375 毫米的高度使其非常适合空间受限的应用。

　　重量：TSNP-9 封装经过优化，适用于需要轻量化的场合。

　　电源：BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA 的旁路电流仅为 2 微安 (µA)，从而延长了电池运行时间。

　　天线分集开关

　　英飞凌的BGS12WN6E6327XTSA1宽带单刀双掷 (SPDT) 分集开关具有 160 纳秒 (ns) 的典型开关速度，以及集成控制逻辑(解码器)和 ESD 保护(图 5)。设计用于 Wi-Fi、蓝牙和超宽带射频信号链，两个端口中的任何一个都可以连接到分集天线并处理高达 26 dB(以 1 毫瓦 (dBm) 为基准)。它采用 MOS 技术制造并提供 GaAs 器件的性能，但无需在 RF 端口上使用外部隔直电容器，除非预计会施加外部直流电压。

　　该芯片包括由单个 CMOS 或 TTL 兼容控制信号驱动的 CMOS 逻辑。它具有高达 9 GHz 的高端口间隔离和低插入损耗。为了减小尺寸和重量，该器件采用 PG-TSNP-6-10 封装，尺寸为 0.7 × 1.1 mm，最大高度为 0.375 mm。它可以在高达 4.2 伏的电源电压下运行，典型电源电流为 36 µA，控制电流为 2 纳安 (nA)，最大限度地延长了电池供电设备的运行时间。

　　图 5：BGS12WN6E6327XTSA1 SPDT 分集开关可以在 160 ns 内切换，并包括集成控制逻辑和 ESD 保护。(图片来源：英飞凌)

　　射频交叉开关

　　Infineon 的BGSX22G6U10E6327XTSA1 RF CMOS 交叉开关专为 GSM、WCDMA、LTE 和 5G 应用而设计。这种双刀双掷 (DPDT) 开关在高达 7.125 GHz 的频率下具有低插入损耗、低谐波生成和射频端口之间的高隔离度。其 1.3 微秒 (µs) 的切换时间支持 5G 探测参考信号 (SRS) 应用。它有一个 GPIO 控制接口，并在 1.6 至 3.6 伏的电源电压下工作。PG-ULGA-10 封装尺寸为 1.1 × 1.5 mm，厚度为 0.60 mm，针对空间和重量受限的应用进行了优化。这种低功耗器件的典型电源电流为 25 µA，控制电流为 2 nA。

　　天线调谐开关

　　需要针对高达 7.125 GHz 的应用进行优化的单刀四掷 (SP4T) 天线调谐开关的设计可以使用英飞凌的BGSA14M2N10E6327XTSA1。四个 0.85 欧姆 (Ω) 导通电阻端口设计用于高 Q 调谐应用。MIPI RFEE 数字控制接口简化了射频信号链中的实现。其 45 伏的峰值电压能力和关闭状态下 160 飞法 (fF) 的低电容使其非常适合在射频天线匹配电路中切换电感器和电容器，而不会产生明显的损耗(图 6)。1.3 × 0.95 mm、0.375 mm 高的 TSNP-10-9 封装与 22 µA 的电流消耗相结合，使该器件能够支持具有挑战性的 SWaP 应用。

　　图 6：BGSA14M2N10E6327XTSA1 可以高效地切换射频天线匹配电路中的电感器和电容器。(图片来源：英飞凌)

　　射频晶体管

　　高性能射频信号链始于收发器和射频放大器部分。这需要射频功率晶体管，例如英飞凌的BFP760H6327XTSA1宽带 NPN 射频异质结双极晶体管 (HBT)，其特点是：

　　在 5.5 GHz、3 V、10 mA 时，最低噪声系数 (NF min ) 低至 0.95 dB

　　在 5.5 GHz、3 V、30 mA 时，最大功率增益 (G ms ) 高达 16.5 dB

　　高线性度，在 5.5 GHz、3 伏、30 mA时输出 (OIP 3 ) 为 27 dBm 的三阶截点

　　该功率晶体管适用于工业应用。它设计用于无线和卫星通信系统、GPS 导航设备、移动多媒体设备和其他高性能射频应用。

　　TSNP 封装选项

　　小尺寸的 TSNP 封装要求 PC 板上有稳定的几何公差，并且应该使用非阻焊层定义 (NSMD) 焊盘设计。与阻焊剂相比，NSMD 的焊盘公差更低。对于 NSMD，PC 板上的走线应为 100 微米 (µm) 或更小。通常，用于仅底部 TSNP 的 PC 板焊盘(如上述 BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA、BGS12WN6E6327XTSA1 天线分集开关和 BGSA14M2N10E6327XTSA1 天线调谐开关所用)是通过转移封装焊盘轮廓并在封装焊盘的侧面增加 25 µm 来设计的垫。

　　设计人员需要注意，TSNP 焊盘的样式不止一种。有标准焊盘，也有专为光学引线尖端检测 (LTI) 设计的焊盘(图 7)。LTI 器件需要更大的安装面积，因为 PC 板焊盘需要超出封装轮廓至少 400 μm(图 7)。虽然 LTI 设计支持光学检测，但它可能不适合需要尽可能小的解决方案尺寸的 SWaP 关键设计。

　　图 7：使用标准焊盘(左)或针对光学 LTI 优化的更大焊盘(右)的 TSNP 封装可用。(图片来源：英飞凌)

　　结论

　　在指定一系列便携式和可穿戴无线设备中的天线调谐器、RF 交叉开关、天线分集开关、LNA 和低噪声 RF 晶体管时，SWaP 考虑因素非常重要。如图所示，英飞凌为设计人员提供了一系列用于高性能射频信号链应用的器件，这些应用也可以满足苛刻的 SWaP 要求。使用这些器件，设计人员可以优化射频信号链的可靠性和带宽，并延长电池寿命。