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5×5mm2，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3×3mm2。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