Mobilfunk: Das erste rekonfigurierbare HF-Front-End

Früher war ein HF-Front-End, das alle Komponenten vom Transceiverausgang bis zur Antenne umfasst, eine Ansammlung von Chips, die unabhängig voneinander von verschiedenen Anbietern in unterschiedlichen Technologien angeboten wurden. Das ist heute nicht mehr akzeptabel.

Konventionelle HF-Frontends (HFFE; engl.: RFFE – Radio Frequency Front End) waren akzeptabel, solange es die Vielfalt der kombinierbaren Frequenzbänder und die LTE-Trägeraggregation noch nicht gab. Der heutige Markt verlangt aber HF-Designs für die Frequenzen aller Welt-Regionen und für alle Betriebsarten – letztlich eine global einsetzbare HF-Einheit.

Der CMOS-Vorteil

Mit gegenwärtigen Hybridmodellen von CMOS-basierten HF-Schaltern und Antennentunern in Kombination mit GaAs-Leistungsendstufen ist es nicht möglich, die Integration auf Die-Ebene zu erhöhen. Da die HFFE-Komplexität zur Zeit exponentiell steigt, gestaltet sich die Integration als kritisch. Einige Unternehmen versuchen, dieses Problem zu lösen, indem sie komplexe Multi-­Chip-Module erarbeiten, die schrittweise Verbesserungen ermöglichen, aber an technische Grenzen stoßen. Nur eine wirklich rekonfigurierbare HFFE wird auch weltweit in allen Frequenzbändern zufriedenstellend arbeiten – all das ist nur möglich, wenn das gesamte System auf CMOS basiert.

Seit 25 Jahren arbeitet die Firma Peregrine (www.psemi.com) an HF-SOI-Designs (Silicon On Insulator) – nun konnte auch ein HFFE auf CMOS-Basis geschaffen werden. Die Vorteile des CMOS-Designs sind die weltweite Verfügbarkeit entsprechender CMOS-Fabs, optimale Prozesskontrollen und die Möglichkeit, eine ganze Reihe von Funktionen monolithisch zu integrieren, einschließlich Abstimmungs- und ­Regelfunktionen. Peregrines Ultra­CMOS-10-Technologie, die im Oktober 2013 startete, ist eines der Resultate der Entwicklungsarbeiten und eine 130-nm-Technologie in HF-SOI mit markanten Leistungsdaten, diese nicht zuletzt aufgrund der im Vergleich zum Wett­bewerb deutlich verbesserten Werte für Ron und Coff.

Mit der Verbesserung von Leistungs­fähigkeit und Design durch die neue Technologie konnte letztlich das erste rekonfigurierbare HFFE-System entwickelt werden, welches weltweit nutzbar ist und unter der Bezeichnung Ultra­CMOS Global 1 verwendet wird. Diese Technologie-Plattform ist skalierbar und unterstützt eine höhere Anzahl von Bändern durch verlustarme Schalter, sie bietet hohe Isolationswiderstände zur Lösung von Interoperabilitätsproblemen, digital einstellbare Betriebsarten und Abstimm-Konfigurationen in allen Bändern sowie Leistungswerte, die den entsprechenden GaAs-Komponenten gleichwertig oder überlegen sind. Das Global-1-System (Bild 1) besteht aus:

  • Multi-Mode Multi-Band Power Amplifier (MMMB­-PA) mit drei Pfaden
  • dem Post-PA-Schal­ter
  • Antennenumschalter
  • Antennen­-Tuner
  • Unterstützung von Envelope Tracking
  • Gemeinsame HFFE-MIPI-Schnitt­stelle