无线通信系统的射频集成策略

信息在通信系统的两点传输过程中,射频功能扮演了重要角色。在这类系统中,RF功能通常与其它功能在物理上分离,RF发射与接收一般是由不同的IC来实现。为减小系统尺寸并降低成本,人们不断探索将RF与系统其它功能集成的方法,其中特别是DSP技术的发展产生了十分重要的影响。除了这种RF与非RF集成的发展趋势外,RF器件本身还有其它集成发展趋势。这些不同的发展趋势是因为不同系统需要不同的技术来实现所需要的RF功能。例如,在将接收信号传递到低噪声放大器(LNA)之前,有些系统要求对信号进行有效滤波,这需要采用陶瓷滤波器或声表面波(SAW)滤波器来对接收信号滤波,但这些滤波器都不能集成到接收器IC中。

 
低频与高频系统的区别

  低频与高频系统之间的一个重要区别是,后者只能在发射器与接收器之间不存在阻挡的情况下才能实现信号传输,而低频系统没有这样的要求,因此能实现更大的覆盖面积。低频和高频之间并没有明显的分界点,其过度频率在2-5GHz之间,并取决于系统特性,例如发射器输出功率和接收器灵敏度。本文以2.4GHz射频前端模块 target=_blank>2.4GHz作为高低频率的转换点。高频系统还可以分为长距离系统和短距离系统。长距离系统如雷达、卫星链路、基站链路、固定无线宽带接入(FWBA)等,这些系统要求的发射功率都高于短距离系统,如蓝牙和802.11a/b等。
 


 

 高频RF集成

  短距离无线通信系统的目标市场是消费电子市场,因而要求尺寸小且成本低,并且随着通过数据传输视频流的应用需求增长,数据传输速率将不断增加。这些系统基本上都是便携式电池供电的产品,要求长的待机和通话时间。

  由于工作在高频段的发射器较少,因此高频率系统(高于2.4GHz)可以实现高带宽和适中的接收器选择特性。同样,接收器的信噪比(S/N)很高,因而发射器的输出功率可以较低。例如,802.11b在2.4GHz时具有11Mbps的带宽,802.11a在5GHz下可以高达54Mbps。采用更宽的波段或更复杂的调制方法要求更严格的信号线性度,而线性度与发射器紧密相关。

  系统采用的工艺技术与所能实现的工作频率有关,图1为CMOS和BiCOS所能实现的工作频率发展比较。假设fmax与能得到的工作频率直接相关,很明显CMOS是比较好的选择。此外,CMOS还能满足不严格的选择性、信噪比和输出功率要求,但由于工作电压低而使动态性能降低。然而,由于很多系统工作于开放频段上,这样在发射器和接收器之间将可能有很多发射设备互相干扰,如微波炉干扰蓝牙通讯就是一个典型实例。

  尽管CMOS在高频具有这些优势,但BiCMOS技术具有双极技术的RF模型、晶体管参数匹配的优点,而且BiCMOS设计经验更丰富。在工艺选择上尺寸并不是主要考虑因素,因为0.18um CMOS或BiCMOS工艺实现蓝牙收发器功能的芯片尺寸相近。

  如果选择CMOS工艺,标准数字CMOS将是发展趋势,由于这些数字CMOS本身已经采用了多层掩模工艺,因此将不会再增加其它选项。数字功能将占据最大的芯片面积,因此主要的成本将产生在这些数字功能部分。

  使用主流CMOS工艺将数字电路和RF功能集成在单块芯片上还有意义吗?这个问题需要从两个方面来考虑:从技术角度看,采用为实现RF功能而改进的标准CMOS是可能的,如高阻抗基底减少通过基底的串扰,采用厚介质来实现无源元件的高品质因素等;从集成的角度看,将标准CMOS应用于射频以及在一个芯片上集成数字和RF功能没有太多的好处,因为数字和RF的模型和库有着根本上的不同。数字电路经常用VHDL/Verilog语言设计,CMOS技术的数字库通常在新技术出现之前就已实现,这些数字库一代一代地使用,因此设计工程师可以在下一代工艺发布之前进行数字设计。
 


 

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