支持长距离蓝牙通信的高集成射频前端模块应用分析
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55mm2，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33mm2。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
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