設計時間とスペースの節約を実現する
RFモジュールによるシステムの共存設計
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携帯型無線データ通信は、スマートフォンやタブレットPCなどの
携帯機器市場の急成長によって増大しています。そのような市場
で成功するためには、できるだけ小さなスペースに高効率で低雑
音のRFチャンネルを多数組み込まなければなりません。高集積の
RFモジュールを採用することによって、そのような高度なシステム
共存を、個別部品を使用するよりも素早く効率的に実現すること
ができます。
無線通信は、あらゆる種類の民生および商用データ通信で、便利
で好ましい通信方法となっています。WiFiネットワークはすでに家
庭に広まっており、PC、タブレット、スマートフォン、ゲーム、テレビ
などをサポートしています。さらにまた、公共WiFiホットスポットも
いたるところにあり、ネットサーフィン、メッセージ通信、およびIP
トラフィックのオフロード用のフェムトセルに使用されています。
WiFi以外にも、リモート・ヘッドセット用のBluetooth、ホーム
オートメーション・ネットワーク用のZig-Bee、無線ブロードバンド
用のWiMAX、および携帯電話を含む多くのワイヤレス・データ・
リンクが使用されています。さらに、輸送産業や公益事業は、
次世代送電網やトラフィック管理などの用途にも、これらのネット
ワーク技術を利用しています。同様に、その他の産業でも、生産や
商業の様々な要素を自動化するために機器間の通信に無線
ネットワークを活用としようとしています。
このように無線データ通信の用途が拡大するにつれて、機器開発
者の負担は倍増しています。まず、無線設計は、きわめて高品質の
送受信チャンネルを実現しなければなりません。送信チャンネル
は、電力、スペクトルおよび線形性の厳しい基準を満たし、狭帯域
幅フィルタリングによりアンプの歪みとインピーダンス不整合によ
る反射を回避しなければなりません。受信チャンネルは、信号損
失を防ぐために高効率でなければならず、またきわめて弱い受信
信号を処理しながらデータ伝送速度を最大にするために、できる
だけ雑音を除去しなければなりません。
開発者は、このようなRF設計上の課題に取り組みながら、システ
ムの共存に対処しなければなりません。多くのシステムは、1つの
無線リンクではなく、異なる規格にそれぞれ対応した2つ以上の
無 線リンクを必 要とします。たとえば、ラップトップ・コンピュータ
は、WiFiとWiMAXの両方の接続機能を搭載することがあります。
スマートフォンは、WiFi、Bluetoothと共に、GSM、3GおよびLTEに
対応します。そのような携帯システムは、様々なシステムの設計が
できるだけコンパクトであることが必要で、一般に回路基板上で
様々なシステムが組み合わされます。
同一機器で共存する異なる無線リンクは、一般に、同じ場所に
共用アンテナを使用して狭い周波数間隔で動作しなければなりま
せん。このように物理的および周波数配置的に近いシステムとの
共存は、受信フィルタに厳しい性能を要求します。とえば、WiFi設
計は、2.4～2.5 GHz帯で動作しながら、同時に2.1GHzの近傍3G送
信器からの信号干渉がないように設計しなければなりません。そ
のような厳しい周波数配置でのシステムは、きわめて鋭いロール
オフを備えたフィルタを必要とします。
しかし、このような複合的な設計課題を解決することのできる
ソリューション、アバゴ・テクノロジーのRF共存用の高集積フロン
トエンド・モジュール(FEM)があります。このRFモジュールは、アン
テナ接続を切り替えるための信号スイッチとフィルタとアンプを
内蔵し、個別の送受信経路を備えています。個別部品による設計
ではなく高集積モジュールを利用することにより、設計時間とコス
トを大幅に削減でき、同時に高性能で高効率のRFサブシステムを
実現することができます。このモジュールによる設計は、個別部品
による設計と比べて基板スペースも節約します(図1)。
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図 2. レイアウトしやすくするためにアンプ、スイッチおよびフィルタが
モールド・パッケージに封入されます。
アバゴの高集積FEMを利用することにより、多くの利点を享受する
ことができます。まず、このモジュールは、サブシステムとして設計
されているため、最適化されたレイアウトと内部構成を提供しま
す。アバゴは、すべての信号経路に50Ωのインピーダンス整合と
均一な位相遅延を実現するようにモジュールを設計しました。モ
ジュール内のすべてのアクティブ個別部品は、最適な動作特性を
提供するように調整されています。
モジュールは、アバゴ独自の技術を使用してきわめて優れた性能
を達成します。組み込まれた低雑音アンプは、チャンネル帯域幅
にわたって平坦な利得を提供しかつ厳しい直交振幅変調(QAM)
マスク要件を満たすように、アバゴ独自のGaAs高電子移動度ト
ランジスタ(pHEMT)プロセス技術を使用して構成されています。
アバゴ独自のFBAR(圧電薄膜共振)フィルタが、鋭いロールオフ特
性を実現して高い帯域外減衰特性を提供します。FBARフィルタの
低い挿入損失が、受信信号強度を最大にしかつ送信電力のロス
も最小にし、携帯機器のバッテリ寿命の改善に貢献します。
高集積FEMのもう一つの大きな特長は、コンパクトなモールド・
パッケージに多くの機能が組み込まれることです。重要となるRF
設計およびレイアウト設計は既に行われており、調整や改良は不
要です。このフロントエンド・モジュールを使用する際には、レイ
アウト設計時にいくつかの外部接続パターンを設計するだけでよ
く、設計時間が大幅に短縮されます。さらに、モジュールのサイズ
が小さいために、RFサブシステムに必要な基板スペースが節約さ
れます。
高集積FEMは、フロントエンドRF設計作業を簡単にするのに役
立つだけでなく、他の開発段階を迅速化するのに役立ちます。
モジュールとして設計が最適化され、試験されているため、フロン
トエンド部の設計の確認は簡略化されます。開発作業の後半で
は、最終設計の規制および規格準拠試験に必要な時間と労力を
短縮できます。この開発時間の短縮は、製品が市場に出るまでの
時間の短縮と開発コストの削減に直接結びつきます。
高集積FEMは製造コストの削減にも役立ちます。１つのFEMを使
用することで、生産部品表(BOM)の多数の個別部品が1つのFEM
に置き換わり、BOM管理と在庫処理のコストが削減されます。FEM
はサブシステムとして試験されているので、RFデザインは、個別部
品を使用した場合より生産歩留まりが向上します。
アバゴの高集積FEMが、無線システムの共存を必要とする設計に
もたらす利点は、モジュールの特長を詳しく検討するで理解するこ
とができます。その良い例は、AFEM-S257 WiMAX共存FEMです。
このモジュールは、WiFiやその他の近傍RFシステムがある状態で
16QAM WiMAXの受送信をサポートし、また2つの同時信号受信
を可能し、またはダイバーシチ受信をサポートします。
図1. アバゴ高集積フロントエンド・モジュールを使用することで、複雑な個別部品によるRF設計を単一部品に縮小して基板スペースを節約し、
設計時間を短縮し、コストを削減することができます。
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図3. AEFM-257は、2.5～2.7GHz帯の2系統受信チャンネルを備えたWiMAX共存フロントエンド・モジュールです。
AFEM-S257モジュールは、線形電力送信アンプ、プリセレクタ
FBARフィルタを含む低雑音受信アンプ、バンドパス・フィルタ、お
よびすべてのRFポートを50Ωに整合したRFスイッチを内蔵してい
ます(図3)。このモジュールは、3～5VのDC電源電圧で2.5～2.7GHz
帯のWiMAX動作に最適化されています。AFEM-S257モジュール
内のすべてのアンプはGaAs pHEMTプロセス技術使用し、電源電
圧と温度変化に対する特性変動が優れています。
モジュールの送信アンプでは利得を選択することができ、バッテリ
消費を抑える低電力モードで動作することができます。低電力
モードでは、アンテナ端で0dBm出力で動作でき、通常3.6V電源
供給時に95mA（標準）で駆動できます。高電力モードでは34dBの
利得を有し、24dBm出力時に420mA（標準）の消費電流です。送信
アンプの利得ステップは23dBです。
送信アンプの通常の利得平坦度は、10MHz帯域で1dBであ
り、利得変動は、全電源電圧範囲で1dB以下です。このため、送
信チャンネルは、高電力モードで-34dB(2.5%)の標準変調精度
(EVM)を必要とするWiMAX QAMマスク仕様に完全に対応するこ
とができます。
モジュールの受信経路の高性能低雑音アンプは15dBの利得を持
ち、アンテナ入力から受信出力まででは10dBの利得を提供しま
す。強い入力信号時には受信アンプをバイパスし、受信系1つ当た
りに流れる電流を10mAから0.25μAに減少させることできます。
受信アンプが動作している場合は、アンテナ入力とその受信出力
との間で3.5dB（最大）の雑音指数となります。
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AV02-3039JP - November 30, 2011
多くのシステムとの共存を可能にするために、スイッチとフィルタ
により、異なる信号経路間や異なる動作周波数帯にアイソレー
ションを確保します。2つの受信チャンネル間および受信チャン
ネルと送信チャンネル間のアイソレーションは25dBで、信号経路
の干渉を防ぎます。FBARバンドパス・フィルタが送信経路と受信
経路の両方に集積されているため、帯域外の減衰量を提供しま
す。(表1)受信チャンネルのWiFi ISM帯で搬送波に対する減衰は
30dBです。
表1. FBARフィルタの急峻なロールオフ特性で、帯域外の近傍
送信器からの干渉信号を減衰します。
周波数帯
送信帯域外
減衰(dBc)
受信帯域外
減衰(dBc)
698 – 720 MHz 80 70
800 – 915 MHz 70 70
1574-1576 MHz 50 35
1805 -1880 MHz 40 30
1930 – 1990 MHz 30 30
2110 – 2170 MHz 10 35
2400 – 2468 MHz 35 30
2451 – 2473 MHz 25 30
3300 – 3800 MHz 30 30
5000 – 5380 MHz 60 –
>7200 MHz 60 –
この高性能なRFフロントエンドは、5x7x1mm封止パッケージに封
入され、基板スペースを個別部品を使用した設計より25%節約し
ます。送信ポートと受信ポートは、RFICとの接続をしやすいように、
モジュールの片側に配置され、その反対側にアンテナ接続が配置
され、アイソレーションのために信号線間にグランド・パッドが用
意されまています。
このような高性能フロントエンドを、多数のRFシステムを近傍周
波数で共存させなければならない設計のために開発することは、
多くの経験を積んだRF設計エンジニアでさえかなり難しい問題で
す。今日のマルチ無線モバイル装置の開発者は、アバゴの高集積
FEMによって、そのような設計問題を回避することができます。こ
の高集積FEMを利用することにより、デバイスを低コストで市場に
より短時間で投入することができ、同時に最高の性能を持つきわ
めてコンパクトな設計を実現することができます。
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