ADI的RF前端系列支持實(shí)現(xiàn)緊湊型5G大規(guī)模MIMO網(wǎng)絡(luò)無線電

在4G LTE蜂窩基站后期部署中，普遍采用大規(guī)模多路輸入、多路輸出(MIMO)無線電技術(shù)，特別是在密集的城市地區(qū)，小型蜂窩有效地填補(bǔ)了蜂窩覆蓋的空白，同時(shí)提高了數(shù)據(jù)服務(wù)速度。此架構(gòu)的成功清楚印證了其價(jià)值。因?yàn)檫@種架構(gòu)本身具備所需的頻譜效率和傳輸可靠性，它將成為新興的5G網(wǎng)絡(luò)無線電的首選架構(gòu)。讓5G變成現(xiàn)實(shí)的挑戰(zhàn)在于，設(shè)計(jì)人員必須大幅增加同時(shí)在多個(gè)頻段運(yùn)行的收發(fā)器通道的數(shù)量，同時(shí)將所有必要的硬件壓縮整合到與前一代設(shè)備同樣大小或更小的空間中。

這樣做意味著：

u       通道越多，基站內(nèi)外的射頻功率就越高，如此會(huì)加劇相互無干擾的通道之間隔離的問題。

u       為了在高功率信號(hào)下保持可靠性，接收器前端組件必須提高動(dòng)態(tài)范圍性能。

u       解決方案的尺寸非常重要。

u       隨著電子設(shè)備和發(fā)射器功率不斷增加，必須解決熱管理問題。

為了尋求更高的數(shù)據(jù)速率來支持各種無線服務(wù)和不同的傳輸方案，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著電路更復(fù)雜，同時(shí)必須滿足類似的尺寸、功率和成本預(yù)算的境況。在基站塔中增加更多收發(fā)通道可以獲得更高的吞吐量，但在更高的射頻功率等級(jí)上實(shí)現(xiàn)每個(gè)通道，與將系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本保持在可接受的水平一樣重要。為了實(shí)現(xiàn)更高的射頻功率，硬件設(shè)計(jì)人員在射頻前端設(shè)計(jì)中沒有太多選擇，而是依賴于需要高偏置功率和復(fù)雜外設(shè)電路的傳統(tǒng)解決方案來實(shí)現(xiàn)，這使得實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí)更加困難。

ADI公司最近推出適合時(shí)分雙工(TDD)系統(tǒng)的多芯片模塊，其中集成低噪聲放大器(LNA)和高功率開關(guān)。ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549系列涵蓋1.8 GHz至5.3 GHz蜂窩頻段，針對(duì) M-MIMO天線接口進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。該全新系列器件通過硅工藝集成高功率開關(guān)以及GaAs工藝集成高性能低噪聲放大器，兼具高射頻功率處理能力和高集成度，無需犧牲任何一方面——可謂兩全其美。

雙通道架構(gòu)

M-MIMO RF前端設(shè)計(jì)的ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549應(yīng)用框圖如圖1所示。該器件通道中集成高功率開關(guān)和兩級(jí)LNA。在收發(fā)器以接收模式運(yùn)行期間，開關(guān)將輸入信號(hào)路由至LNA輸入。在發(fā)射模式期間，輸入路由至50 Ω端電極，以確保與天線接口正確匹配，并將LNA與天線的任何反射功率隔離。集成式雙通道架構(gòu)允許設(shè)計(jì)人員輕松擴(kuò)展MIMO，使其超過傳統(tǒng)設(shè)備8×8（8發(fā)射器×8接收器）配置的限制，達(dá)到16×16、32×32、64×64，甚至更高。

圖1.M-MIMO射頻前端框圖。

寬工作帶寬

ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549的增益特性及其頻率覆蓋范圍如圖2所示。各器件針對(duì)常用的蜂窩頻段進(jìn)行了優(yōu)化，并與同一設(shè)計(jì)中使用的其他調(diào)諧組件（例如功率放大器和濾波器）保持一致。

圖2.ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549增益特性

高功率保護(hù)開關(guān)

該器件內(nèi)含通過硅工藝設(shè)計(jì)的大功率開關(guān)，不需要采用任何外部組件來產(chǎn)生偏置。此開關(guān)基于5 V單電源運(yùn)行，電流消耗僅為10 mA，可以直接與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字微控制器連接，無需采用任何負(fù)電壓或電平轉(zhuǎn)換器。與采用基于PIN二極管開關(guān)的實(shí)現(xiàn)方案相比，硅開關(guān)可以為用戶節(jié)省約80%的偏置功率和90%的電路板空間。

該開關(guān)在連續(xù)運(yùn)行時(shí)可處理峰均比(PAR)為9 dB的10 W平均射頻信號(hào)，在故障情況下可承受兩倍額定功率。ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549是市場上首批具備10 W功率處理能力的產(chǎn)品，因此特別適用于高功率M-MIMO設(shè)計(jì)。如果每個(gè)天線元件可以傳輸更多的功率，那么就可以減少傳輸通道的數(shù)量，并從基站中獲取相同的射頻功率。ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549架構(gòu)如圖3所示，從中可以看出，兩個(gè)通道的大功率開關(guān)都由同一器件引腳供電和控制。LNA則有自己的電源和控制信號(hào)設(shè)計(jì)。

圖3.ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549電路架構(gòu)

低噪聲系數(shù)

兩級(jí)LNA通過GaAs工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用5 V單電源供電，無需采用任何外部偏置電感器。增益在頻率范圍內(nèi)具有平坦特性，在高增益模式和低增益模式下可分別編程至32 dB和16 dB。該器件還具有低功耗模式，以節(jié)省偏置電源，其中LNA可以在傳輸操作期間關(guān)閉電源。該器件的噪聲系數(shù)為1.45 dB（包括開關(guān)的插入損耗），非常適合用于高功率和低功率M-MIMO系統(tǒng)。圖4顯示ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549在指定頻段的噪聲系數(shù)性能。

圖4.ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549噪聲系數(shù)

小尺寸，外部組件數(shù)量最少

除了電源引腳上的初級(jí)解耦電容和射頻信號(hào)引腳上的隔直電容外，該器件不需要任何調(diào)諧或匹配元件。射頻輸入和輸出在50 Ω匹配。LNA設(shè)計(jì)中集成了匹配和偏置電感。這減少了昂貴組件（如電感）的材料成本，也簡化了相鄰收發(fā)器之間的通道間串?dāng)_的硬件設(shè)計(jì)。此器件采用6 mm × 6 mm表貼封裝，具有散熱增強(qiáng)底板。該器件在-40°C到+105°C的額定殼溫范圍內(nèi)工作。所有三個(gè)芯片都具有相同的封裝，采用相同的引腳排列配置?？梢栽谕浑娐钒迳匣Q使用。圖5顯示該器件如何安裝在其評(píng)估板上。評(píng)估板可以直接從ADI或通過其分銷商獲取。

圖5.ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549評(píng)估板

作者簡介

Bilge Bayrakci于2009年加入ADI公司，是A射頻和微波控制產(chǎn)品部的市場營銷和產(chǎn)品經(jīng)理。他擁有 伊斯坦布爾技術(shù)大學(xué)的電氣工程碩士學(xué)位，擁有20多年半導(dǎo)體行業(yè)從業(yè)經(jīng)驗(yàn)。