利用２．４ＧＨｚ ＷＬＡＮ前端模塊實現多無線技術共存

引言

無線局域網(WLAN)技術現已成為廠家用和工業用電器中移動計算及數據通信的必然標準。近來，這種技術更被用于無線互聯網語音(VolP)電話、多媒體分發(multi-media distribution)、游戲以及監視系統等領域。將WLAN集成到手機里的需求正不斷高漲，但手機同時還必須兼備游戲、PDA、數字相機、用于電郵和網絡瀏覽的通用分組無線服務(general packet radio services，GPRS)、全球定位系統 (globalposmonmg system，GPS)以及藍牙(Bluetooth)應用等眾多功能。表1列出了目前被集成到手持式設備中的各種無線服務和其工作頻帶。

未來的高端手機還得力n入5GHz的UMTS蜂窩無線技術，以實現語音和數據通信。最近冒起的無線VoIP服務為手機用戶提供廠另一種低成本的電話服務，在這種情況下，在具有UMTS蜂窩能力的智能電話中集成2．4GHz的WLAN功能看來是必然的趨勢了。UMTS接收帶和2．4GHzWLAN帶之間的頻帶問題，為專為同步操作而開發的無線前端設計帶來了艱巨的挑戰。

架構優化

圖1顯示了適合嵌入于多無線技術蜂窩手機中之WLAN無線技術的最優化架構。這種架構采用了單根天線的單刀雙擲(SPDT)T／R開關設計，簡化了雙天線分集開關(dwersity switch)的結構，后者在手機中往往缺乏足夠的距離來獲得空間分集 (spatial diversity)；而且天線的隔離度很低，無法滿足多天線應用的需要。這個最優化架構的發射路徑包括——個輸入匹配濾波器、一個與片上調節器和功率檢測器集成在一起的3階SiGe功率放大器、一個集中式帶通匹配濾波器、一個SPDTT／R開關，以及一個高抑制帶通濾波器(BPF)。其接收路徑則包括相同的BPF、一個T／R開關、一個帶通匹配濾波器，以及一個平衡／不平衡變換器(balun)。在某些應用中更需要一個低噪聲放大器(LNA)，以確保接收路徑的插損(insertionloss)足夠低，從而優化接收器的靈敏度，并提高WLAN無線技術的總體覆蓋范圍。

功率放大器

功率放大器(power amplifier，PA)的性能是滿足前端模塊規范的最關鍵因素。采用SiGeBiCMOS技術可以達到最高程度的IC集成，以實現所有有源功能，包括RF信號放大、功率檢測、電源調節，以及真正的CMOS兼容開／關啟動電路(以滿足快速設置WLAN應用的嚴格信號時序要求)。此外，使用BiCMOS偏置電路還能夠實現基于帶隙的參考電壓以及完全溫度補償的PA性能。要在很大的操作功率范圍上滿足WLAN嚴格的線性度要求，并同時獲得最高的效率，這兩點對手機而言是至關重要的。一般來說，由于大多數WLAN PA在高峰均比(peak-to—average ratio，PAR)數字調制時，需要8到6dB的功率回退(back-06)來實現低失真，因此它們的效率往往很低。而且，由高抑制BPF和T／R開關引起的后置功率放大器損耗也產生了額外的2．5到3．5dB損耗。因此，在最壞的情況下，線性電源需要額外的3．5dB功率回退來滿足高達2．17GHz的抑制要求。這種PA輸入輸出匹配網絡可以實現低噪聲50歐姆匹配，故很容易能集成到無線前端模塊中，并在PA輸入端提供帶通濾波，進一步提升噪聲抑制的性能。

SPDT開關濾波器

這個T／R開關濾波器設計包含了一種新穎的開關架構，即使在天線嚴重失配的情況下也能提高隔離性能，同時實現緊湊的外形尺寸，把模塊的總體尺寸減至最小。該開關加入了并聯和串聯FET器件，用于每一條路徑上的開(ON)和關(OFP)狀態。要提高隔離度，可以通過關狀態串聯FET；或通過此開關閑置路徑上的AC接地并聯FET來實現。利用這種開關設計，在802．11b／g頻帶上可以獲得大于30dB的TX-RX隔離度，而插損小于0．7dB。在機械方面，這種開關可與高抑制帶通濾波器集成在一起，后者專門提供UMTS兼容手機操作所需之帶外阻塞(out of band blocking)。在我們的評估中，若接收路徑的全相位抗失配能力為10：1，那么在54Mbps及最大輸出功率為15dBm時，誤差向量幅度(EVM)性能的下降可忽略不計。因此，閑置路徑可以完全關斷而不會影響到活動路徑的性能。這種功能正是手持式設備所需的，因為它降低了電流消耗，有助節省電池能源。在同樣的天線端失配情況下，隔離度仍大于27dB，因此不但免受線性TX性能變化的影響，而且還可以通過片上監測器準確地進行電源設置；此外，即使在天線嚴重失配的情況下也不會對功率放大器造成損害。

Balun變換器

利用印制跡線和0201無源器件，可以實現集成了低通濾波器的2：1平衡／不平衡變換器(balun)。該balun變換器為開關濾波器和接收輸出分別提供50歐姆和100歐姆的匹配。使用無源器件和印制跡線能顯著提高成本和性能。利用這種電路，前端模塊可獲得0．2dB的幅度平衡度，平衡端之間的相位差小于1度。

性能改善

這個前端模塊的性能如圖2、3及4所示。由圖2可見，總體增益為28dB，輸入輸出回損大于10dB。對緊密屏蔽式手機的穩定性非常關鍵的反向隔離在諧波頻帶范圍內優于－49dB。圖3顯示了在17dBm的輸出功率級下測得的噪聲排放。在2．17Ghz時，UMTS接收頻帶和WLAN通帶相當靠近，此時的噪聲功率大約為，170dBm／Hz。考慮到天線或系統板耦合所引起的15dB泄漏路徑損耗，這將使前端模塊的噪聲影響低于熱噪聲基底，并與手機UMTS接收器的同步操作兼容。即使利用1Mbps調制，在最大功率+17dBm下的最差WLAN諧波，距離美國聯邦通信委員會(FCC)規定的0dBi天線—41．2dBm／Mhz的限值還有5dB的裕量。

圖4所示為在17dB電源范圍時，采用54Mbps 802．11S信號調制所測得的模塊線性關系。該線性度是在15dBm功率級下小于3％I~EVM，電流消耗為120mA。該性能包括了高抑制開關濾波器電路的2．5至3．5dB后置功率放大器損耗。

在接收模式中，2GHz以下測得的抑制大于45dB，2．17GHz以下大子30dB。帶內(in-band)插損為3．5dB(進入一個平衡接收器)；而回損則優于—16．5dB。在多無線技術同時操作期間，這些低帶內損耗和高抑制性能完全保證了WLAN接收器的靈敏度。

結語

SiGe半導體公司開發了一種具有高線性度、低功耗、低帶外噪聲排放和高帶外噪聲抑制的2．4GHzWLAN前端模塊，能夠支持手機中多無線技術的共存。這些無線方式在高達2．17GHz的UMTS頻帶上操作。SiGe半導體的模塊集成了功率檢測器和調節器，大大簡化WLAN無線技術的結構。緊湊的開關式濾波器設計，把模塊的總體尺寸減至最小，從而使占位面積縮小到只有6x5x1．4mm。上述這些特性使集成收發器或基帶／收發器芯片變得非常容易，為含UMTS頻帶的第三代多無線技術蜂窩手機建構了一個雙或單封裝的2．4GHzWLAN無線結構。