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支持长距离蓝牙通信的高集成射频前端模块应用分析

上网日期: 2007年01月29日 ?? 作者: 谢利刚, 袁志鹏 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:蓝牙? 射频? RDAT212? RDA212?

蓝牙通信是工作于2.4GHz~2.48GHz频段的时分复用(TDD)技术,旨在取代电缆来连接便携式和/或固定设备,并保证高度安全性。蓝牙技术的主要特点在于功能强大、耗电量低、成本低廉,可以同时处理数据和语音传输。依据发射输出功率的不同,蓝牙传输有3种距离等级:Class1约为100米;Class2约为10米;Class3约为2~3米。

针对长距离蓝牙技术应用,锐迪科微电子公司推出了RDAT224和RDAT212射频前端模块芯片。RDAT224芯片集成了功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)和T/R射频开关。芯片的输入和输出已经在模块内部匹配到50Ω。封装形式采用适合射频模块设计的LGA,尺寸仅为5×5mm2,非常适合USB Dongle Class1产品设计。

RDAT212芯片也同样集成了PA、LNA和天线开关,并特别增加PA bypass及LNA bypass的省电功能。芯片的输入和输出已经在模块内部匹配到50Ω,产品尺寸进一步减小到3×3mm2。省电和小尺寸的优点使得RDAT212芯片未来适用于手机蓝牙以及802.11.b/g扩展应用。

同时,这两款产品都具有不错的线性度,支持Bluetooth 2.0的高速率应用。

内部电路组成

RDAT224射频前端模块内集成的PA和LNA均采用先进的砷化镓异质结双极晶体管(GaAs HBT)工艺制造,T/R射频开关采用增强型高电子迁移率场效应晶体管(E-PHEMT)工艺制造。尽管没有采用差分PA的形式,但是RDAT224依然提供了差分输入管脚,从而使用户不需要再关心差分转单端的设计。

PA在2.4GHz~2.5GHz频段内有20dB增益,这样,RDAT224模块在0dBm输入条件下即可提供20dBm输出功率,满足Class1功率输出要求。PA在21dBm输出时的功率附加效率高达40%,有助于延长供电时间。

LNA在2.4GHz~2.5GHz频段内有15dB增益,静态工作电流仅9mA,噪声系数小于3dB,输入三阶交调点IIP3为-5dBm。

模块的输入和输出已经在内部匹配到50Ω,客户应用时不需要在PCB上设计匹配电路,使得PCB设计更加容易。PA的输出谐波已经抑制到-50dBc以下,应用时外部通常已不需要滤波器。这样模块外部仅需少量滤波电容,极大地缩小了PCB尺寸,并降低了系统成本。

RDAT212增加了PA bypass及LNA bypass的省电功能。在Class1应用时,模块可以在0dBm输入条件下提供20dBm的输出功率;在Class2应用时,模块又可切换到PA bypass状态,此时不消耗电流。


图1:RDAT224内部结构示意图


图2:RDAT212内部结构示意图。

LNA采用了E-PHEMT工艺,进一步降低了噪声系数,并且提高了线性度。LNA在2.4GHz~2.5GHz频段内有13dB增益,静态工作电流仅5mA,噪声系数小于2dB,输入三阶交调点IIP3高达8dBm。LNA bypass功能既可以作为省电模式,又能增大接收机的动态范围。

RDAT212的输入和输出已经在内部匹配到50Ω,并且芯片内部集成了谐波抑制电路。

基于RDAT224的应用系统原理

最初的蓝牙设计由一系列分离的IC和支持电路组成并最终形成蓝牙模块。随着技术的进步,蓝牙设计的集成度不断增加,而外置器件则不断减少。


图3:蓝牙适配器设计的系统原理图。

图3给出了一个以RDAT224芯片为射频前端模块和一片蓝牙SoC为基带的模块化解决方案。该SoC通过USB连接器直接与PC等设备直接相连,完成基带功能并将信号上变频为射频信号传送到T224射频前端模块,并同时提供了T/R射频开关、PA、LNA的控制接口。RDAT224射频前端模块将射频信号放大,然后通过射频开关将信号传送到天线。RDAT224的PA提供20dBm的输出,可以使蓝牙适配器的有效范围达到100米。当蓝牙适配器接收信号时,射频信号经射频开关传送到LNA。RDAT224的LNA噪声系数小于3dB,可以很大的提高接收链路的灵敏度。射频信号经LNA放大后由SoC实现下变频,并由USB连接器传送给PC等设备。

设计实现技巧与经验

RDAT224射频前端模块将T/R射频开关、PA和LNA集成在一起,极大地降低了蓝牙模块的复杂度。如果设计人员不使用上述高度集成模块,那么他们必须非常严密地设计蓝牙PCB。元件置放、跟踪扫描、解耦、接地、屏蔽和板材等都是影响性能的重要因素,尤其是产品的射频性能。如果使用RDAT224,那么设计人员将能规避这些问题,从而在最终设计中无需特别关注上述因素。另外,RDAT224也可有助于减小PCB的尺寸,进一步减少成本。图4给出了蓝牙适配器的PCB照片。可以看到面积很小,除了RDAT224芯片和蓝牙SoC芯片只有很少的外围元件。


图4:蓝牙适配器的PCB实物图

作者:

谢利刚

袁志鹏

工程师

锐迪科微电子有限公司






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