En verklig världstelefon – en 4G LTE-smarttelefon för global roaming –har ännu inte nått marknaden, men en stadig följd av sändtagarkretsar och komponenter för RF-ingångssteg(RFFE) påskyndad av framsteg inom teknik och prestanda kan snart göra verklighet av en sådan telefon. Rodd Novak, CMO, Peregrine Semiconductor Corp visar hur detta låter sig göras.

Den verkligt globala smarttelefonen är högst önskvärd för såväl konsumenter som elektroniktillverkare (OEMer). Tillverkningen blir effektivare med en enda SKU, förenklad lagerhållning och storskalighet. Det är dock ganska svårt att kostnadseffektivt leverera en sådan högpresterande och avancerad telefon med höga RF-prestanda och ett format som accepteras av konsumenterna. Komplexiteten är en viktig punkt: det globala antalet definierade RF-frekvensband är nu uppe i hela 31, och för att åstadkomma en verklig världstelefon måste upp till tio LTE-band stödjas (Se www.ngmn.org mars 2012).
För att stödja det ökade antalet frekvensband måste nya och mer frekvensselektiva komponenter inkluderas i konstruktionen för att hantera kraftigt ökad datakapacitet och utökad roaming. Trenden att revolutionera formen och funktionen öppnar för innovation av RF-ingångssteget (RFFE). Signalhanteringen är också viktig, och avvägningen står här mellan pris och prestanda. Medan den totala utformningen av en 4G-smarttelefon med global roaming fortsätter att göra framsteg har en ny konstruktions- och processteknik möjliggjort en högpresterande lösning för RF-avstämning (tuning) för RFFE som gör det lite enklare att ansluta världen per telefon.

Antalet band ökar
En av svårigheterna med att konstruera den globala smarttelefonen är behovet av att stödja upp till tio LTE-frekvensband. Mobiltelefonindustrin har definierat 31 globala frekvensband. En vanlig smarttelefon på marknaden idag stödjer endast ett enda LTE-band men konstruktioner för två och tre band väntas komma under 2012. När antalet frekvensband ökar tillkommer ett annat signalhanteringsproblem: samexistens. Det problemet är inte begränsat till mobiltelefonband, utan påverkar även samexistens med all annan utrustning för sändning och mottagning via luften. Tag som exempel LTE-system som konstruerats för att samexistera med en GPS-mottagare. LTE-band 13 ligger inom området 777-787 MHz, band 14 mellan 788-798 MHz och GPS-bandetligger på 1 575,4 MHz. LTE-sändsignalens andra överton (2fo) faller intill GPS-bandet, vilket ger försämrad GPS-känslighet.  Signalerna kommer därmed att bli mycket motstridiga, vilket leder till störningar och fel. För att lösa det problemet måste mobilterminaler inkludera extra signalfiltrering och RFFE-komponenter måste erbjuda ökad linjäritet.

Fig 1. Arkitektur för avancerad 4G LTE-smarttelefon

Bland RFFE-komponenterna är RF-switchen den som är av kritisk vikt för signalvägen. Dess prestanda kan antingen hjälpa eller stjälpa övertonerna hos RFEE. För att möjliggöra framgångsrik samexistens och stödja ytterligare band måste RF-switchen klara att switcha många kanaler samtidigt (“high-throw-count”) och ha en IP2 (andra ordningens interceptpunkt) på över +130 dBm. Detta är en uppgift som överväldigar även industrins bästa RF-switchlösningar!

Antalet komponenter ökar
När fler RF-frekvensband läggs till mobiltelefonnätet för att stödja de ökade kraven för data och global roaming ökar det väsentligt antalet frekvensselektiva komponenter i konstruktionen. Ett möjligt konstruktionsblock för en RFFE till en avancerad 4G LTE-smarttelefon visas i fig 1. Diagrammet innehåller 31 RF-switchar, 4 duplexerare, 17 ytvågsfilter, 5 lågpassfilter (LPF), 4 antenner och 6 effektförstärkare (PA).
Det är en mycket komplicerad konstruktion jämfört med en 2G-telefon som består av 6 RF-switchar, 4 ytvågsfilter, 2 lågpassfilter, 1 antenn och 2 RF-effektförstärkare. Se fig 1.
Trots att det kräver nästan fem gånger så många komponenter har det tillgängliga utrymmet för RFFE hos 4G LTE-smarttelefonen blivit ännu trängre.
Den nya utrymmesbegränsningen beror på att batteriet är större och upptar en betydande andel av det utrymme som är tillgängligt inne i telefonen.  Fig 2 visar ett exempel på en ny smarttelefonkonstruktion i vilken moderkortet lagts runt batteriet.

Fig 2. Batteriet upptar större delen av utrymmet i den nya smarttelefonkonstruktionen.

Denna utformning tycks utgöra en trend på kort sikt. Eftersom användarna kräver snabbare bearbetning, större skärmar, energihungriga applikationer och mera trådlös data kommer batteriet att fortsätta att kräva alltmer utrymme i konstruktionen.

RF-komponenternas värde ökar
Enligt författarens erfarenhet har RFFE-arkitekturen historiskt sett drivits på av en väldefinierad plan (“roadmap”) som inkluderat årligen minskade priser, komponentantal och storlekar, med totalkostnaden som främsta drivkraft. Användningen av nya tekniker eller komponenter som erbjuder förbättringar för något mätvärde har inte beaktats förrän lösningen kunnat tillgodose eller överträffade pris- och kostnadskurvor som gällt för den vid en given tidpunkt etablerade tekniken.
Introduktionen av 4G LTE-smarttelefonertycks ha lett till en förändring av denna RFFE-“roadmap”.  Mobiltelefontillverkare kräver mindre komponentstorlekar för att tillgodose behovet av ökat komponentantal. Högre RF-prestanda behövs för att tillgodose 4Gs krav på linjäritet. Dessutom är det inte nog att enbart tillgodose specifikationer för minimiprestanda. Betydande förbättringar bortom OEM-specifikationen för parametrar såsom linjäritet och inlänkningsdämpning belönas, medan det kunde ha varit nog att endast tillgodose en industrispecifikation (såsom 3GPP).  Dessa motstridiga avvägningar har tvingat fram en ändring av prissättningen och har öppnat för nya tekniker, innovativa funktionella konstruktioner och komponenter av högre prestanda. Denna förändring har gjort det möjligt för komponenttillverkare att närma sig marknaden på ett nytt sätt och har ökat efterfrågan på, samt beaktandet och användningen av nya, innovativa och miljövänliga tekniker som ersätternuvarande tekniker.

Teknik- och prestandaframsteg
Ett viktigt prestandavärde för RF-teknik är RonCoff. Detta är det mätvärde som bäst visar på beteendet hos en fälteffekttransistor (FET) när den modelleras som en krets med två terminaler (fig 3).När FETen är kraftigt omvänd fungerar den som ett motstånd (Ron).Långt under tröskelvärdet verkar FETen som ett kapacitivt nätverk (Coff).Den resulterande multipeln ger RonCoff-mätvärdet.
Förbättringar av RonCein-målet gör det möjligt för konstruktörer av RF-komponenter att förbättra en eller flera viktiga avvägningar för konstruktionen: inlänkningsdämpning, storlek, krafthantering, isolation och linjäritet. Processtekniker som idag erbjuder sådana mål för RF-prestanda är kisel-på-isolator-(SOI-)-processer. Genom att erbjuda förbättrade prestanda tillsammans med tillverkningsbarhet och tillförlitlighet passar SOI för den öppning som världstelefonen erbjuder.

Fig 3. Beteendet vid små signaler hos en FET, utformad som en krets med två terminaler.

Av de alternativa SOI-processerna erbjuder Peregrine Semiconductors UltraCMOSkisel-på-safir-(SOS-)-teknik enastående RonCoff-prestanda. Därmed har UltraCMOS-kretsar fått stor användning inom mobiltelefonindustrin. UltraCMOS-kretsar görs på ett mycket tunt kisellager ovanpå en högt isolerande dielektrisk safirskiva. Därmed integreras passiva och RF-funktioner av hög kvalitet i en enda krets, medan det högt isolerande safirsubstratet bibehåller hög isolation.  Eftersom UltraCMOS är en standardprocess för CMOS kan safirskivan bearbetas i konventionella, kvalificerade CMOS-fabriker. Standardbearbetning för CMOS gör att UltraCMOS-tekniken kan göra snabbare framsteg än andra tekniker, såsom galliumarsenid, som historiskt sett har använts för produktion av RFFE-komponenter.
Fig 4 visar på framstegen för UltraCMOS RonCoff-prestanda som diskreta punkter i dess plattform för halvledarteknik (Semiconductor Technology Platform, STePs). Varje STeP innebär framsteg för såväl process- som kretsteknik. Såvitt vi vet har framsteg som dessa (på mer än 20 procent per år) inte skådats tidigare för RFFE; förbättringar av RonCoff-mätvärdet för andra RF-tekniker såsom GaAs har legat på mindre än 1 procent årligen över samma tidsperiod.
De senaste framstegen för UltraCMOS-processen, STeP5, och de nyaste RF-switcharna presenterades i februari 2012 och utnyttjas i världens mest populära smarttelefoner.
Lanseringen av STeP5 har mötts av entusiasm på marknaden vilket lett till den snabbaste processupptrappningen i Peregrines historia. Fler än 100 miljoner STeP5-RFIC har levererats under de första tre kvartalen av kvalificering. Totalt sett har hittills över en miljard RFIC tillverkats på de olika UltraCMOS STePx-varianterna.

STeP5-kretsar banar väg
STeP5 UltraCMOS-teknik möjliggör även nya produktkategorier som kan stödja jakten på en fullt fungerande global 4G LTE-smarttelefon.
Peregrines digitalt avstämbara kondensatorer DuNE (DTCer, som visas i fig 5) banar väg för en avstämbar RFFE genom att erbjuda ett enkelt, men ändå robust sätt att konfigurera den avstämbara antennen. Tillsammans med andra lösningar, såsom de baserade på BST och MEMS, är DTC avsedda att lösa avstämning, förknippad med form, spektrum och miljö.

Val av avstämbar teknik
Eftersom avstämning är en nyhet för många RFFE-konstruktörer är det viktigt att dessa först år hur fördelaktig en framgångsrik implementering kan vara i en trådlös tillämpning. Tillämpningar såsomexempelvis mobiltelefoner kräveren avstämbarhetslösning som ställer höga krav på prestandanivåer:
* Högeffekthantering: +33 till +39 dBm
* Hög linjäritet: övertoner<-36 dBm, IMD3 <-105 dBm
* Låg förlust: Q=30-100
* Kapacitans: 0,5-20 pF
* Avstämningsförhållande 3:1-10:1
* Låg total strömförbrukning <1 mA
* Snabb switchhastighet: 10 µs
* Tillförlitlig, tålig, lämplig för storskalig tillverkning
Speciellt för antenntillämpningar måste avstämbarhetslösningen ge ett avstämningsförhållande med bred impedans och en högt Q-värde, samtidigt hantera RF-effektnivåer på upp till 2 W och tillgodose de stränga kraven rörande övertoner och intermodulationsdistortion för 3G/4G-drift (T. Ranta, J. Ella and H. Pohjonen, "Antenna Switch Linearity Requirements for GSM/ WCDMA Mobile Phone Front-ends", 8th European Conference on Wireless Technology Proceedings, Paris, France, Oct. 2005, pp. 23–26).

Fig 4. UltraCMOS STePx: plattform för halvledarteknik.

Med utgångspunkt i den maximala sändningsstyrkan för GSM på +33 dBm och den spänningsmultiplicering som kan uppkomma i anpassade nätverk vid felpassning måste den avstämbara komponenten även linjärt tolerera RF-spänning på upp till 30 Vpk, motsvarande över +39 dBm vid 50 ohm.
För att stödja RX/TX-avstämning för GSM-mobiltelefoner måste den avstämbara komponenten vara tillförlitlig över 10^12 switchcykler och ha en omkopplingshastighet som ligger under 10 ?s. Mobiltelefonmiljön kräver även liten storlek, låg kostnad, hög tillförlitlighet och högt utbud för ekonomiskstorskalig masstillverkning. UltraCMOS STeP5-DTC tillgodoser dessa mycket tuffa specifikationer och utnyttjas nu i smarttelefoner världen över.

Avstämning med DuNE DTC
UltraCMOS-baseradeDuNE DTCer (som visas i fig 5) bygger på en monolitiskt integrerad CMOS-switchad bank av halvledarkondensatorer, där varje switch är gjord som en stapel av FET. Detta sätt att stapla FET möjliggör hantering av hög RF-effekt och hög linjäritet, och utnyttjar UltraCMOS, samma teknik som utnyttjas för att göra de RF-switchar med “high-throw-count” som tillverkas i stor skala för 2G/3G-mobiltelefoner och för nya 4G-smarttelefoner.

Fig 5. DuNE – digitalt avstämbar kondensator.

DTC erbjuder styrgränssnitt som, bygger på 2 eller 3 ledare och som kan utnyttjas i antingen serie-eller shunt-konfigurationer, vilket gör att denna komponent kan användas i många olika avstämbara kretsar.

Avstämda nät
Den avstämbara RFFE som krävs för en verklig 4G-världstelefon måsteutvecklas bortom den enkla avstämbarhetslösningen och dessutom inkludera ett avstämbart anpassat nätverksomtillser inte bara statisk antennavstämning utan även dynamisk impedansavstämning för omställning till konstanta miljöförändringar.  Fig 6 visar ett kretsschema för ett envägs-baserat avstämbart anpassat nätverk som utnyttjar DuNE DTCer.

Fig 6. Kretsschema för ett avstämbart anpassat nätverk som utnyttjar DuNE  DTC.

Just denna konstruktion är inriktad på flerbandiga LTE-/WCDMA-/GSM-tillämpningar på UMTS-FDD-band I, II, III, IV, V, VIII och XII. Den är implementerad med tre avstämbara komponenter, förspänning och styrkretsar integrerade på en enda krets. Konstruktionen styr DTC via ett seriellt gränssnitt. Genom att utnyttja en omkonfigurerbar kopplad resonatortopologi, som ofta används i bandpassfilter och impedansanpassade nätverk, ger detta avstämbara anpassade nätverk bred impedans täckning i funktionsband på 698 – 960 MHz och 1710 – 2170 MHz. Samtliga DTC i konstruktionen är implementerade med 4-bitarsupplösning, där upplösningen avvägts mot antalet individuella avstämningstillstånd som är tillgängliga för nätverket (4096 för 3 × 4 bitars DTC). Kretsen mäter cirka 3 mm2, så den lämpar sig för integrering  i en 3,5 × 3,5 mm modul som inkluderar passiva komponenter, såsom trådlindade induktorer av hög kvalitet.
För att utvärdera prestanda hos det avstämbara, anpassade nätverket i systemet har ett mätvärde kallat PDI (power delivered improvement) föreslagits (R. Whatley, T. Ranta, and D. Kelly. "CMOS Based Tunable Matching Networks for Cellular Handset Applications,"  IMS2011 Proceedings. In press).PDI är ett mått på den prestandaförbättring (i dB) som mobiltelefonen kommer att uppnå med ett avstämbart, anpassat nätverk för en antenn med givet VSWR och given fasförskjutning. Fig 7 visar PDI för olika VSWR-förhållanden och frekvenser för lasten.
När antennimpedansen ligger på ett högt VSWR (12:1) gör användningen av de UltraCMOS-baserade avstämningskretsarna att effekten som levereras till lasten förbättras med 4 dB eller mer. Effektleveransens jämviktspunkt nås när lastens VSWR är ungefär 2:1, under vilket avstämningens förluster är större än missanpassningsförlusten utan avstämning.

Fig 7. PDI för olika VSWR-förhållanden och frekvenser för effekter, och effekterna av UltraCMOS DTC.

När ett avstämbart anpassat nätverk med alla sina förbättringar är inkluderade i RFFE-konstruktionen är det lättare att ta itu med de konstruktionsutmaningar som är förknippade med en dynamisk miljö, form och funktion. Konstruktörer kan då förbättra effektiviteten hos sina konstruktioner och leverera den senaste smarttelefonen, som klarar att hantera 4G LTE, och 31 frekvensband.

Paradigmskifte
Ett paradigmskiftehar skett inom konstruktionen av RF-ingångssteget(RFFE) i mobiltelefoner. För många nya konstruktioner är nu RF-komponenternas storlek och prestandalika viktigt som komponenternas pris. Detta skifte har öppnat för nya tekniker och ny funktionalitet som erbjuder förbättringar för någon prestandaspecifikation. Kretsar som är ett resultat av såväl process- som konstruktionsinnovationer, såsom Peregrine Semiconductors STeP5 UltraCMOS RF-switcharochavstämbara DTC-lösningar, erbjuder industrin för trådlös mobilteknik ledande prestanda, storlek och funktion, och hjälper till att lösa de problem rörande konstruktions- och nätverksprestanda som är ett resultat av strävan mot en 4G LTE-smarttelefon med global roaming – världstelefonen. 
Rodd Novak, CMO, Peregrine Semiconductor Corp

Filed under: Mikrovag