Simultáneamente, las llamadas telefónicas se han convertido en solamente uno de los muchos propósitos de la transferencia de datos en RF. Esto se debe a que un
número creciente de bandas de frecuencias y protocolos de comunicación están entrando en la recepción de RF del microteléfono. Hoy en día pueden distinguirse una variedad de "tuberías" de comunicación a través de las cuales puede establecerse la transferencia de datos de RF.
Algunas de éstas tuberías están incorporadas en los teléfonos móviles de venta en el mercado, mientras que otras se espera que lleguen a utilizarse en el futuro cercano.
En general, se pueden distinguir tres tipos de tuberías de comunicación de RF, las cuales pueden estar presentes en un microteléfono, a saber, la tubería celular, la tubería de
interconectividad, y la tubería de transferencia de datos por medio de la radio difusión. La tubería celular, en particular, es la tubería más madura de las tres. Su propiedad más importante es la grandeza del área o territorio que cubre. La tubería celular fue originalmente utilizada solamente para llamadas (conversaciones), pero al presente también se utiliza para servicio de mensajes y acceso al Internet. Ésta tubería cubre tales estándares como GSM, GPRS, DCS, PCS, y W-CDMA. Las tuberías celulares y de
interconectividad difieren en que ésta última no hace uso de una red celular grande y es utilizada mayormente para hacer conecciones inalámbricas locales entre dispositivos
individuales. Ejemplos de ésta tubería lo son tales estándares de comunicación como Bluetooth, Zigbee, y IEEE802.11. En la tubería de tipo transferencia de datos por
difusión, el microteléfono es utilizado solamente para recibir información. Ejemplos de esto lo son la radio FM y, en el futuro cercano, también la recepción de TV. Los Sistemas Globales de Posición (GPS) caen dentro de ésta última categoría también.
Para una convergencia exitosa hacia la radio de RF, dos condiciones claras deben cumplirse, a saber, reducir el tamaño y el consumo de potencia. En particular, el tamaño
físico del microteléfono debe conservarse, o más aun, reducirse. Un ejemplo de la importancia de ésta condición lo es el hecho de que la incorporación de una radio FM
sencilla requiere cerca de 150 mm2 de espacio. Más aun, para cada tubería RF, o protocolo de comunicación que se añade al microteléfono, la demanda sobre la fuente de
potencia aumentará correspondientemente. Por lo tanto, como la cantidad de potencia disponible en un microteléfono alimentado por una batería es finita, la urgencia de minimizar el consumo de potencia será más y más prominente. En éste contexto, los interruptores MEMS de contacto óhmico (contacto de metal a metal) y los condensadores
variables prodrían muy bien ser el eslabón que falta entre la convergencia hacia la radio de RF, por un lado, y la miniaturización de los circuitos combinada con el aumento en la eficiencia y en el consumo de potencia, por el otro. Los interruptores óhmicos MEMS y los condensadores variables poseen propiedades excelentes de bajas pérdidas y de alta linearidad sin precedencia, comparados a cualquier otra tecnología de semiconductores. Éstas propiedades son claves en el logro de la convergencia de las tuberías de comunicación RF mediante el uso de redes de reconfiguración RF de bajas pérdidas. De ésta manera, la re-utilización de los circuitos es establecida, lo cual reduciría la cantidad de espacio de la placa ("board space") necesario para incorporar las diferentes tuberías. Más aun, la eficiencia de potencia dentro de la banda puede mejorarse haciendo uso de la adaptabilidad, las bajas pérdidas, y la alta linearidad de MEMS.
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 son activos (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.
Figura 1. (a) Módulo de PA GSM de banda sencilla (Philips, BGY241) de 1998. (b) Módulo de cuatro bandas de 2003 integrando dos PAs y un ASW (Philips, BGY504). Las flechas indican la integración por medio de PASSI con chips que integran dos circuitos de apareamiento de impedancias, dos filtros de paso bajo, y un diplexor.
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 require 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. Un ejemplo ilustrativo, demonstrando la tendencia actual hacia la modularización y la miniaturización del frente delantero de RF (RF front-end) utilizando componentes pasivos integrados, se muestra en la Figura 1. A la izquierda, se muestra un módulo amplificador de potencia ("power amplfier"—PA) para el estándar GSM de una banda (Philips, BGY241) del año 1998, el cual ocupa un área de 8X14mm2.
Figura 2. 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 lacantidad 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 de miniaturización, sería uno que integrara la sección de
radio completa en un sólo encapsulado, según se ilustra en la Figura 2 [4]. Es obvio que los módulos RF disminuirán de tamaño. Cuando cierto módulo, por ejemplo, el PA,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 Figura 2, puede solamente lograrse abandonando la técnica convencional SMD de montar componentes discretos pasivos, y migrando a algun
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 linearidad 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. Esto será especialmente beneficioso cuando el módulo de RF es más complejo y
sirve muchos protocolos de comunicación de RF y bandas de frecuencias. En otras palabras, el uso de RF MEMS será más ventajoso a medida que la convergencia en la radio progrese. Para ilustrar esto, se muestra en la Figura 3 un front-end de RF luego de la convergencia total para una tubería de comunicación celular 3G. El uso de condensadores variables MEMS y de interruptores óhmicos, en combinación con inductores y condensadores de valor fijo, permite la síntesis de un sólo bloque
conteniendo impedancia reconfigurable, circuito de apareo y antena. Se espera que éste tipo de circuito reconfigurado por MEMS conduzca a una menor huella para el
front-end de RF, ya que un sólo 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 el PA y una antena con impedancia fija de 50Ω según se muestra en la Figura 4 [5]. 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=2Ω cuando la potencia de salida máxima es P=3.7W. Sin embargo, la impedancia de carga óptima cambia a Z=4+3jΩ 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+3jΩ. 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+3jΩ.
alcance un tamaño mínimo crítico, éste se combinaría con
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 ME
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
de la antena del circuito de apareo de impedancia. La impedancia de la antenna es de 50 Ω solamente bajo condiciones nominales, pero puede variar sustancialmente
cuando la antenna está, por ejemplo, cercana al cuerpo humano. También en éste caso, circuitos de aparaeo de impedancia adaptables, utilizando condensadores MEMS
purden mejorar la eficiencia de la transmisión de potencia (y la recepción).
Emmanuel Rodriguez C.I. 17208374
Asignatura: CRF
Fuente: www.stadtaus.com
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