支持長距離藍牙通信的高集成射頻前端模塊應用分析

藍牙通信是工作于2.4GHz~2.48GHz頻段的時分復用(TDD)技術，旨在取代電纜來連接便攜式和/或固定設備，并保證高度安全性。藍牙技術的主要特點在于功能強大、耗電量低、成本低廉，可以同時處理數據和語音傳輸。依據發射輸出功率的不同，藍牙傳輸有3種距離等級：Class1約為100米；Class2約為10米；Class3約為2~3米。

針對長距離藍牙技術應用，銳迪科微電子公司推出了RDAT224和RDAT212射頻前端模塊芯片。RDAT224芯片集成了功率放大器(PA)、低噪聲放大器(LNA)和T/R射頻開關。芯片的輸入和輸出已經在模塊內部匹配到50Ω。封裝形式采用適合射頻模塊設計的LGA，尺寸僅為55mm²，非常適合USB Dongle Class1產品設計。

RDAT212芯片也同樣集成了PA、LNA和天線開關，并特別增加PA bypass及LNA bypass的省電功能。芯片的輸入和輸出已經在模塊內部匹配到50Ω，產品尺寸進一步減小到33mm²。省電和小尺寸的優點使得RDAT212芯片未來適用于手機藍牙以及802.11.b/g擴展應用。

同時，這兩款產品都具有不錯的線性度，支持Bluetooth 2.0的高速率應用。

內部電路組成

RDAT224射頻前端模塊內集成的PA和LNA均采用先進的砷化鎵異質結雙極晶體管(GaAs HBT)工藝制造，T/R射頻開關采用增強型高電子遷移率場效應晶體管(E-PHEMT)工藝制造。盡管沒有采用差分PA的形式，但是RDAT224依然提供了差分輸入管腳，從而使用戶不需要再關心差分轉單端的設計。

PA在2.4GHz~2.5GHz頻段內有20dB增益，這樣，RDAT224模塊在0dBm輸入條件下即可提供20dBm輸出功率，滿足Class1功率輸出要求。PA在21dBm輸出時的功率附加效率高達40%，有助于延長供電時間。

LNA在2.4GHz~2.5GHz頻段內有15dB增益，靜態工作電流僅9mA，噪聲系數小于3dB，輸入三階交調點IIP3為-5dBm。

模塊的輸入和輸出已經在內部匹配到50Ω，客戶應用時不需要在PCB上設計匹配電路，使得PCB設計更加容易。PA的輸出諧波已經抑制到-50dBc以下，應用時外部通常已不需要濾波器。這樣模塊外部僅需少量濾波電容，極大地縮小了PCB尺寸，并降低了系統成本。

RDAT212增加了PA bypass及LNA bypass的省電功能。在Class1應用時，模塊可以在0dBm輸入條件下提供20dBm的輸出功率；在Class2應用時，模塊又可切換到PA bypass狀態，此時不消耗電流。

圖1：RDAT224內部結構示意圖

圖2：RDAT212內部結構示意圖。

LNA采用了E-PHEMT工藝，進一步降低了噪聲系數，并且提高了線性度。LNA在2.4GHz~2.5GHz頻段內有13dB增益，靜態工作電流僅5mA，噪聲系數小于2dB，輸入三階交調點IIP3高達8dBm。LNA bypass功能既可以作為省電模式，又能增大接收機的動態范圍。

RDAT212的輸入和輸出已經在內部匹配到50Ω，并且芯片內部集成了諧波抑制電路。

基于RDAT224的應用系統原理

最初的藍牙設計由一系列分離的IC和支持電路組成并最終形成藍牙模塊。隨著技術的進步，藍牙設計的集成度不斷增加，而外置器件則不斷減少。

圖3：藍牙適配器設計的系統原理圖。

圖3給出了一個以RDAT224芯片為射頻前端模塊和一片藍牙SoC為基帶的模塊化解決方案。該SoC通過USB連接器直接與PC等設備直接相連，完成基帶功能并將信號上變頻為射頻信號傳送到T224射頻前端模塊，并同時提供了T/R射頻開關、PA、LNA的控制接口。RDAT224射頻前端模塊將射頻信號放大，然后通過射頻開關將信號傳送到天線。RDAT224的PA提供20dBm的輸出，可以使藍牙適配器的有效范圍達到100米。當藍牙適配器接收信號時，射頻信號經射頻開關傳送到LNA。RDAT224的LNA噪聲系數小于3dB，可以很大的提高接收鏈路的靈敏度。射頻信號經LNA放大后由SoC實現下變頻，并由USB連接器傳送給PC等設備。

設計實現技巧與經驗

RDAT224射頻前端模塊將T/R射頻開關、PA和LNA集成在一起，極大地降低了藍牙模塊的復雜度。如果設計人員不使用上述高度集成模塊，那么他們必須非常嚴密地設計藍牙PCB。元件置放、跟蹤掃描、解耦、接地、屏蔽和板材等都是影響性能的重要因素，尤其是產品的射頻性能。如果使用RDAT224，那么設計人員將能規避這些問題，從而在最終設計中無需特別關注上述因素。另外，RDAT224也可有助于減小PCB的尺寸，進一步減少成本。圖4給出了藍牙適配器的PCB照片。可以看到面積很小，除了RDAT224芯片和藍牙SoC芯片只有很少的外圍元件。

圖4：藍牙適配器的PCB實物圖