Von: Alex Margomenos, Senior Director der Produktlinie „ RF-SOI “
Moderne Smartphones müssen über Dutzende von Frequenzbändern hinweg, die von einigen hundert MHz bis zu 7 GHz reichen, eine hohe Funkleistung aufrechterhalten, um 5G New Radio (NR) zu unterstützen. Gleichzeitig ist die Antennenleistung sehr dynamisch – sie wird von Faktoren wie der Entfernung zur Basisstation, der Ausrichtung des Geräts, der Nähe zum menschlichen Körper oder zu metallischen Oberflächen sowie der Handhaltung beeinflusst. Herkömmliche Smartphone-Antennen, wie beispielsweise gedruckte Inverted-F-Antennen (PIFAs), weisen typischerweise eine schmale Bandbreite von etwa 10 % auf, was andernfalls den Einsatz zahlreicher Antennen erfordern würde, um den gesamten Frequenzbereich unter allen Betriebsbedingungen abzudecken.
Hier kommen Antennenapertur-Tuner zum Einsatz. Diese Schaltungen passen die elektrische Länge der Antenne dynamisch an und ermöglichen so einen effizienten Betrieb über mehrere Frequenzbänder hinweg. Antennenapertur-Tuner sind in der Regel Teil eines Regelkreissystems, das Eingaben vom Modem, von Sensoren und von HF- power -Detektoren nutzt, um die Antennenleistung in Echtzeit auszuwählen und zu optimieren.
Das Hauptziel der Antennenabstimmung ist die Maximierung des Gesamtwirkungsgrads der Antenne – ein Maß dafür, wie viel der im Smartphone-Transceiver erzeugten power von der Antenne abgestrahlt wird. Tuner erreichen dies durch das Umschalten von Kondensatoren und Induktivitäten, um die elektrische Länge der Antenne zu verändern. Dies wird durch spezielle HF-Schalter umgesetzt, die an Schlüsselpunkten entlang der Antenne platziert sind.
Wenn HF-Signale in die Antenne eingespeist werden, erzeugen sie ein Spannungs- und Strom-Stehwellenmuster mit Spitzen und Nullstellen. Die Position dieser hängt von der Frequenz des Signals, der Länge der Antenne und der Art der Anschlüsse an den einzelnen Enden der Antenne ab (bei einer typischen PIFA ist ein Ende mit Masse kurzgeschlossen und das andere offen). Für maximale Wirksamkeit werden Abstimmvorrichtungen idealerweise an den Spannungsspitzen platziert, obwohl praktische konstruktive Einschränkungen die optimale Platzierung einschränken können.
Die Platzierung von Antennenabstimmvorrichtungen an den Spannungsspitzen bedeutet, dass diese Schalter hohe Spitzenspannungen bewältigen müssen – oft über 80 V nahe dem offenen Ende der Antenne. Wichtige Schalterparameter wie der Ein-Widerstand (Ron) und die Aus-Kapazität (Coff) beeinflussen den Wirkungsgrad je nach Position unterschiedlich: Ron dominiert in Bereichen mit hohem Strom, während Coff in Bereichen mit hoher Impedanz, näher am offenen Ende, an Bedeutung gewinnt.
Technologien mit „RF-SOI “ waren der entscheidende Faktor für die Realisierung von Apertur-Antennenabstimmern, da sie alle wesentlichen Anforderungen erfüllen können. RF-SOI , das auf trap-reichen Substraten mit hohem spezifischem Widerstand basiert, bietet geringe Oberwellen, geringe parasitäre Substrateigenschaften und die Möglichkeit, mehrere Feldeffekttransistoren (FETs) zu stapeln, um die erforderliche hohe Vmax zu erreichen. Laufende Prozessverbesserungen und Skalierung haben das Ron×Coff-Produkt reduziert und kleinere Schalter-Chipgrößen ermöglicht.
GlobalFoundries’ (GF) 9SW, unsere „ RF-SOI “-Plattform der vierten Generation, ist darauf ausgelegt, diese Anforderungen zu erfüllen. Unsere branchenführende 9SW-Technologie basiert auf einer 90-nm-Back-End-of-Line-Lithografie (BEOL) und bietet zahlreiche Schalteroptionen sowohl mit Standard- als auch mit dickem Gateoxid, die für niedrige Ron*Coff-Werte und hohe Spannungsfestigkeit optimiert sind. Die Plattform umfasst eine vollständige Palette an Logik- und Hochspannungs-Analog-FETs sowie eine große Auswahl an Kondensator- und Widerstandsoptionen, die sich ideal für die kapazitive Kompensation, die Vorspannungssteuerung und das Body-Strom-Management großer Schalterstapel eignen. Im September dieses Jahres führen wir verbesserte Schalterversionen in Verbindung mit erweiterten Metallverlegungsmöglichkeiten ein, die Verbesserungen bei Ron*Coff bei engerem Schalterabstand bieten und gleichzeitig die hervorragenden Spannungsfestigkeitseigenschaften unserer 9SW-Plattform beibehalten. Diese neuen, einzigartigen Fähigkeiten ermöglichen Antennentuner der nächsten Generation und erzielen gleichzeitig niedrige Ron*Coff-Werte sowie hohe Spannungsfestigkeit bei einer kleineren Schalter-Chipgröße.
Eine weitere Verkleinerung der Chipfläche wird durch unsere serienreife SLATE™ -Wafer-zu-Wafer-Bonding-Technologie mit 9SW erreicht, bei der zwei 9SW-Wafer miteinander verbunden werden, um eine dreidimensionale Schaltungsfaltung zu ermöglichen. Dieser Ansatz reduziert die Chipfläche um bis zu 45 %, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Unser neuestes PDK enthält Design-Enablement-Tools, mit denen Entwickler zweidimensionale Schaltungen intuitiv in den dreidimensionalen Raum übertragen, die Prototypenentwicklung beschleunigen und Designzyklen verkürzen können. Sehen Sie sich unser Tutorial-Video an und lesen Sie den Blogbeitrag, um mehr über unsere SLATE-Wafer-zu-Wafer-Bonding-Technologie mit 9SW und die PDK-Funktionen zu erfahren.
Um die Designoptimierung weiter zu unterstützen, stellt GF Referenzdesigns und Richtlinien zur Verfügung, die dabei helfen, die Spannungsverteilung über große Schaltstapel hinweg besser auszugleichen, das Layout zu optimieren und die ESD-Robustheit zu verbessern.
Wenden Sie sich an Ihren GF-Ansprechpartner, um mehr über unsere Lösungen für Antennentuner mit 9SW und 9SW SLATE sowie über unser übriges HF-Portfolio unter RF-SOI, SiGe und RF GaN zu erfahren.
