Miniaturización de la Radio de RF

Miniaturización de la Radio de RF

El primer paso para miniaturizar la radio del microteléfono es el examinar de cerca los componentes pasivos. Los componentes pasivos constituyen un 75-85% de todos los componentes utilizados en un teléfono móvil hoy en día. En comparación, solamente el 5% de los componentes sonactivos (o sea, circuitos integrados (CIs) y discretos). En un teléfono moderno, capaz de incorporar múltiple medios (“multi-media”), varios cientos de condensadores son utilizados, de los cuales aproximadamente el 30% pertenecen a la radio de RF.

Aparte de su tamaño físico, el área total consumida por los componentes pasivos puede, por su mayor parte, atribuirse a el espacio mínimo que hay que dejar alrededor de cada componente, según lo requiere el proceso de ensamblaje. Cuando se considera el reducir el espacio de placa ocupado por la radio de RF, es por tanto obvio que uno debe reducir el número de componentes pasivos discretos. Esto puede lograrse mediante la integración de los componentes pasivos.



Figura 1. Tendencia hacia un módulo de RF totalmente integrado en miniatura. Cuando cierto módulo, por ejemplo, el PA ha sido reducido a un tamaño mínimo crítico, éste se combina con otros módulos, tal como el ASW formando un Tx- FEM. Al final, la sección completa de la radio será integrada en un sólo módulo: el módulo de la radio de bandas múltiples. El nivel de miniaturización del módulo que se predice puede lograse sólo a través de la integración de los componentes pasivos.


El módulo Philips BGY241 contenía 2 componentes activos y 30 pasivos, principalmente condensadores. Puede verse que la cantidad de componentes pasivos era mayor que la cantidad de activos por mucho. Seis años más tarde, el PA GSM de banda sencilla ha evolucionado hacia el módulo a la derecha; un módulo de RF front-end Tx dual / cuatro bandas (Philips, BGY504), el cual ocupa un área de 8X10 mm2. El BGY504 no solamente integra el PA GSM, sino que también incluye los elementos de PA para la banda de frecuencia DCS-PCS, y un conmutador de antena (CA)incorporando diodos “pin”, un diplexor (“diplexer”), y
dos filtros paso bajo. Aunque más pequeño en tamaño, la funcionalidad del BGY504 ha aumentado dramáticamente. La integración de componentes pasivos es una clave para la reducción de tamaño mientras que, simultáneamente, añade funcionalidad al módulo de RF. Puede apreciarse que la cantidad de componentes pasivos montados en la superficie de la placa (“surface-mounted devices”—SMD)
en el BGY504 ha disminuido de 30 a 26, comparado con el BGY241. La reducción del número de componentes pasivos es posible mediante la tecnología para la
integración de componentes pasivos. En éste caso, muchos de los condensadores discretos utilizados en el BGY241 son integrados en el BGY504 utilizando un proceso de integración de componentes pasivos propiedad de Philips, llamado PASSITM [3]. Los 5 “chips” volteados boca abajo (“flipped”) PASSITM visibles en el BGY504 integran los condensadores necesarios para implementar circuitos de apareo de impedancias, filtro de paso bajo, y diplexores.
Una reducción ulterior en tamaño puede lograrse mediante la incrustación de inductores en un substrato portador laminado con múltiples capas. El proceso PASSITM es totalmente compatible con CMOS y hace posible el fabricar redes de inductores y condensadores con componentes exhibiendo una precisión inferior a un pequeño porcentaje. Unos factores más altos de Q son obtenidos mediante el uso de substratos de silicio de alta resistividad y de interconecciones de metal gruesas.

Lo último en cuanto a módulos de RF, en términos deminiaturización, sería uno que integrara la sección de radio completa en un sólo encapsulado, alcance un tamaño mínimo crítico, éste se combinaría con
otros módulos, tal como el ASW, formando un módulo de front-end Tx (“front end module”—FEM) (Tx-FEM, tal como BGY504). Al fin y a la postre, la sección completa de la radio será integrada en un sólo módulo, a saber, el módulo de radio de bandas múltiples. El nivel de miniaturización del módulo, pronosticado en la puede solamente lograrse abandonando la técnica convencional SMD de montar componentes discretos pasivos, y migrando a algún tipo de integración de pasivos.
El próximo paso gigante en la miniaturización de la radio de RF, será la incorporación de interruptores óhmicos MEMS y de condensadores variables en los circuitos pasivos. MEMS exhibe una pérdida baja y alta linealidad y son, por lo tanto, “componentes pasivos de adaptabilidad” casi ideales. Utilizando éstos elementos MEMS es posible el reconfigurar circuitos pasivos tales como circuitos de apareo de impedancias y circuitos tanque, sin introducir una pérdida de señal alarmante. Se espera que éste tipo de circuito reconfigurado por MEMS conduzca a una menor huella para el front-end de RF, ya que un solo circuito será re-utilizado para diferentes bandas de frecuencia y protocolos.

Aparte de la habilidad para unir bandas de frecuencia diferentes en un sólo circuito adaptable, MEMS puede también ofrecer una mejora en la eficiencia de consumo de potencia dentro de la banda. Para ilustrar esto consideramos el circuito de apareo de impedancias entre elÇ PA y una antena con impedancia fija de 50W El valor de la impedancia de carga óptima, Zin, del transistor de la etapa final del PA varía con la potencia transmitida. El circuito de apareo de impedancia sin MEMS es normalmente diseñado para producir el menor valor posible de pérdida de inserción para un valor de la impedancia de carga óptima cuando la potencia transmitida es mínima. En éste ejemplo, la impedancia de carga óptima es Z=2W cuando la potencia de salida máxima es P=3.7W. Sin embargo, la impedancia de carga óptima cambia a Z=4+3jW cuando la potencia de salida es reducida a P=1W. Para una potencia baja esto resulta en una impedancia que no es óptima y su asociada pérdida en la eficiencia del PA. En la Figura 4 esto se manifiesta en una mayor pérdida de inserción suponiendo que la impedancia que la fuente le presenta al circuito de apareo de impedancia es de 4+3jW. Mediante la adición de un condensador variable MEMS, a la etapa final del circuito de apareo de impedancia, la impedancia de la carga puede conmutarse cuando el PA está transmitiendo una potencia de 1W. La examinación de la Figura 4 indica que con la incorporación de un sólo condensador MEMS la pérdida de inserción es reducida de 2.8dB a 1.4dB, de nuevo, suponiendo que la impedancia de la fuente es de
4+3jW.



Figura 3. Front-end de RF de la tubería celular de un microteléfono 3G. La caja roja integra el circuito de apareo de impedancia para diferentes bandas de frecuencia y el interruptor de la antena en un bloque funcional usando un circuito de inductores y condensadores habilitado por MEMS.



Figura 4. El circuito adaptable de aparear la impedancia de salida de un PA de 900 MHz acomoda variaciones en la impedancia óptima de la carga, la cual es una función de la potencia transmitida por el PA.
Esto indica que la impedancia está más cercana a la impedancia de carga óptima cuando el condensador MEMS es activado. La eficiencia a potencias de salida bajas puede mejorarse más aun con la incorporación de más de un condensador MEMS en el circuito de apareo. El mismo mecanismo de pérdidas también juega un papel en el lado e la antena del circuito de apareo de impedancia. La
impedancia de la antena es de 50 W solamente bajo condiciones nominales, pero puede variar sustancialmente cuando la antena está, por ejemplo, cercana al cuerpo humano. También en éste caso, circuitos de apareo de impedancia adaptables, utilizando condensadores MEMS pueden mejorar la eficiencia de la transmisión de potencia (y la recepción).

http://mimosa.pntic.mec.es/~pferna37/web/4.htm