【無線射頻芯片】-5G大規(guī)模MIMO部署熱潮下

1/15G大規(guī)模MIMO部署熱潮下，一個(gè)節(jié)省RF前端偏置功率和外部組件的方法隨著韓國和美國差不多同時(shí)領(lǐng)先正式宣布商用，以及中國政府提前發(fā)布5G商用牌照，5G在今年全球范圍廣泛落地已經(jīng)成為定論。5G時(shí)代的一項(xiàng)重要支撐技術(shù)大規(guī)模多輸入、多輸出(MIMO)收發(fā)器架構(gòu)，也正在被廣泛用于5G無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。

MIMO技術(shù)是指在放射端和接收端分別使用多個(gè)放射天線和接收天線，使信號通過放射端與接收端的多個(gè)天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。每一項(xiàng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)都要靠肯定的硬件來支撐，而支撐大規(guī)模MIMO實(shí)現(xiàn)的硬件就是在基站側(cè)配置更大規(guī)模的天線陣列，所以大規(guī)模MIMO也常常被稱為大規(guī)模天線。MIMO技術(shù)早在4G時(shí)代就已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，而區(qū)分于4GMIMO的最多8天線通道，在5G中實(shí)現(xiàn)16/32/64通道。

作為邁入5G時(shí)代的一步，掩蓋蜂窩頻段的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)目前正在城市地區(qū)進(jìn)行部署，以滿意用戶對于高數(shù)據(jù)吞吐量和一系列新型業(yè)務(wù)的新興需求。高度集成的單芯片射頻收發(fā)器解決方案的面市促成了此項(xiàng)成就。在此類系統(tǒng)的RF前端部分仍舊需要實(shí)現(xiàn)類似的集成，意在降低功耗(并改善熱管理)和縮減尺寸(同時(shí)降低成本)，從而容納更多的MIMO通道。

MIMO架構(gòu)允許放寬對放大器和開關(guān)等構(gòu)建模塊的RF功率要求。然而，隨著并行收發(fā)器通道數(shù)目的增加，外圍電路的簡單性和功耗也相應(yīng)上升。ADI采納硅技術(shù)的新型高功率開關(guān)專為簡化RF前端設(shè)計(jì)而研發(fā)，免除外圍電路的需要并將功耗降至可忽視不計(jì)的水平。ADI采納硅技術(shù)的新型高功率開關(guān)為RF設(shè)計(jì)人員和系統(tǒng)架構(gòu)師供應(yīng)了提高其系統(tǒng)簡單度的敏捷性，且不會讓RF前端成為其設(shè)計(jì)瓶頸。

在時(shí)分雙工(TDD)系統(tǒng)中，天線接口納入了開關(guān)功能，以隔離和愛護(hù)接收器輸入免受發(fā)送信號功率的影響。該開關(guān)功能可直接在天線接口上使用(在功率相對較低的系統(tǒng)中，如下圖左所示)，或在接收路徑中使用(針對較高功率應(yīng)用，如下圖右所示)，以保證正確接至雙工器。在開關(guān)輸出上設(shè)有一個(gè)并聯(lián)支路將有助改善隔離性能。

天線開關(guān)（左）及雙工器LNA愛護(hù)

基于PIN二極管的開關(guān)具備低插入損耗特性和高功率處理力量，始終是首選解決方案。然而在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中固有的局限性限制了其應(yīng)用：它們需要高偏置電壓以施加反向偏置用于供應(yīng)隔離，以及高電流以施加正向偏置從而實(shí)現(xiàn)低插入損耗。此外，還需要負(fù)電壓并采納高電流供電，偏置電流消耗特別高。下圖給出了一款用于基于PIN二極管的開關(guān)及其外設(shè)的典型應(yīng)用電路。三個(gè)分立的PIN二極管通過其偏置電源電路施加偏置，并通過一個(gè)高電壓接口電路進(jìn)行掌握。

PIN二極管開關(guān)的典型電路原理圖

ADI公司采納硅技術(shù)推出的ADRF5130、ADRF5132和ADRF5160最新高功率硅新款高功率硅開關(guān)更適合大規(guī)模MIMO設(shè)計(jì)。它們依靠單5V電源供電運(yùn)行，偏置電流小于1mA，并且不需要外部組件或接口電路。下圖中給出了內(nèi)部電路架構(gòu)?；贔ET的電路可采納低偏置電流和低電源電壓工作，因而將功耗拉低至可忽視的水平，并可在系統(tǒng)級上關(guān)心熱管理。除了易用性之外，該器件架構(gòu)還可供應(yīng)更好的隔離性能，由于在RF信號路徑上納入了更多的并聯(lián)支路。

ADRV9008/ADRV9009硅開關(guān)。

下圖并排對比了單層PCB設(shè)計(jì)上基于PIN二極管的開關(guān)和新型硅開關(guān)的印刷電路板(PCB)原圖。與基于PIN二極管的開關(guān)相比，硅開關(guān)所占用的PCB面積不到其1/10。它簡化了電源要求，且不需要高功率電阻器。

基于PIN二極管的開關(guān)設(shè)計(jì)與硅開關(guān)（ADRF5130）的并排比較。

ADI公司最新高功率硅開關(guān)能夠處理高達(dá)80W的RF峰值功率，這足以滿意大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的峰值平均功率比要求并留有足夠的裕量，可以直接用于天線接口或可以用作一種愛護(hù)器件。這些器件繼承了硅技術(shù)的固有優(yōu)勢，特別適合于天線接口等應(yīng)用，而且與替代方案相比，可實(shí)現(xiàn)更好的ESD結(jié)實(shí)性和降低部件與部件間的差異。

采納單電源供電、無須使用外部元件的ADI高功率硅開關(guān)系列

大規(guī)模MIMO系統(tǒng)將連續(xù)進(jìn)展，并將需要進(jìn)一步提高集成度。ADI的新型高功率硅開關(guān)技術(shù)很適合多芯片模塊(MCM)設(shè)計(jì)，將LNA一起集成，以供應(yīng)面對TDD接收器前端的完整、單芯片解決方案。幾乎可以忽視不計(jì)的低功耗有利于低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由于不需要任何外部元件所以特別適合于多通道高度集成的收發(fā)器應(yīng)用。另外，ADI還將調(diào)高新設(shè)計(jì)的頻率，并將引領(lǐng)針