ADI覆蓋全頻譜的器件如何簡(jiǎn)化無(wú)線通信設(shè)計(jì)？

無(wú)線技術(shù)在如今的通信系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，逐漸成為智慧家居、智能機(jī)器人、自動(dòng)駕駛與新型醫(yī)療設(shè)備等新興技術(shù)的核心。在近日舉辦的 EDICON 2020 上，ADI 不僅帶去了數(shù)款最新無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì) Demo，并且由 ADI 射頻應(yīng)用經(jīng)理 Mercy Chen 用精彩的演講為與會(huì)觀眾講述了不同帶寬通信應(yīng)用場(chǎng)景與無(wú)線電技術(shù)的深層次聯(lián)系。

無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展史與半導(dǎo)體材料工藝新挑戰(zhàn)

據(jù) Mercy 介紹，無(wú)線通信從 1G 到 5G，走過的歷史卻并不漫長(zhǎng)。世界上第一代無(wú)線通信系統(tǒng)誕生于上世紀(jì)八十年代，是以“大哥大”手機(jī)為典型的以模擬技術(shù)為基礎(chǔ)的蜂窩無(wú)線電話系統(tǒng)，而到第二代的 GSM，帶寬增加至 200KHz，第三代的 WCDMA 約為 5MHz，第四代的 LTE 則達(dá)到了 20MHz。目前的第五代移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)有了 Sub-6GHz 的信道，帶寬為 100M，之后的微波 5G 甚至可能會(huì)達(dá)到 1GHz 左右。不難發(fā)現(xiàn)，通信產(chǎn)品一代一代地更替，帶寬也越來(lái)越寬，對(duì)無(wú)線通信的數(shù)據(jù)速率要求越來(lái)越高，所有的無(wú)線產(chǎn)品帶寬支持能力也是需要不斷增加的。

時(shí)至今日的生活中，無(wú)線通信應(yīng)用已經(jīng)無(wú)處不在了，其標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議也是百花齊放，例如有蜂窩通信的 NB-IoT 標(biāo)準(zhǔn)、Bluetooth 標(biāo)準(zhǔn)、 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)以及 WIFI 標(biāo)準(zhǔn)等等各種各樣的通信協(xié)議。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景所需帶寬的不同，可以把無(wú)線通信應(yīng)用分為窄帶應(yīng)用、寬帶應(yīng)用以及超寬帶（UBW）應(yīng)用。

Mercy 進(jìn)一步指出，隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，從低頻到超高頻的電路應(yīng)用越來(lái)越廣，要求不同的器件特性在半導(dǎo)體材料工藝的選擇上也會(huì)面臨不同的挑戰(zhàn)。例如硅是當(dāng)前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)應(yīng)用最為成熟的材料，傳統(tǒng)上以硅來(lái)制作的晶體管多采用 BJT 或 CMOS，由于硅材料沒有半絕緣基板，再加上組件本身的增益較低，若要應(yīng)用在高頻段操作的無(wú)線通信 IC 制造，則需進(jìn)一步提升其高頻電性，除了要改善材料結(jié)構(gòu)來(lái)提高組件性能，還必須藉助溝槽隔離等制程以提高電路間的隔離度與 Q 值，如此一來(lái)，其制程將會(huì)更為復(fù)雜，且不良率與成本也將大幅提高。因此，目前中低頻射頻模塊器件，例如混頻器，調(diào)制器，解調(diào)器等多以具有低噪聲、電子移動(dòng)速度快、且集成度高的 Si BiCMOS 制程為主。而在 SOI 襯底的硅表面下方嵌入了二氧化硅層，相對(duì)于體硅器件，這種結(jié)構(gòu)可以極大的降低漏電流和功耗，具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)，則非常適用于射頻模塊控制器應(yīng)用。

GaAs 因電子遷移率比硅高很多，因此采用特殊的工藝，早期為 MESFET 金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，后演變?yōu)?HEMT，pHEMT，目前則為 HBT。HBT 是無(wú)需負(fù)電源的砷化鎵組件，其功率密度、電流推動(dòng)能力與線性度均超過 FET，另外它可以單電源操作，因而簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)及次系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難度，十分適合于射頻及中頻收發(fā)模塊的研制以及高功率、高效率、高線性度的微波放大器等電路。

不難看出，要解決各類無(wú)線通信應(yīng)用的體積、功耗和成本挑戰(zhàn)，必須從硬件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)入手。Mercy 表示，對(duì)于 ADI 來(lái)說，擁有全頻譜解決方案的能力，可以做到 0GHz 到 110GHz 頻譜范圍內(nèi)的支持，在無(wú)線設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有絕對(duì)的話語(yǔ)權(quán)。完整的產(chǎn)品系列也能支撐客戶相關(guān)的產(chǎn)品開發(fā)，并針對(duì)不同帶寬的應(yīng)用場(chǎng)景，ADI 幾款最新產(chǎn)品也體現(xiàn)了系統(tǒng)化的微波射頻研發(fā)經(jīng)驗(yàn)是如何融入了其獨(dú)特的創(chuàng)新設(shè)計(jì)中。

完美布局，ADI 無(wú)線通信技術(shù)解決方案全方位覆蓋
高動(dòng)態(tài)范圍 RF 收發(fā)器完美匹配窄帶應(yīng)用

窄帶應(yīng)用需要使用多個(gè)放大器來(lái)覆蓋不同的頻段，意味著外部無(wú)源器件會(huì)更多，因?yàn)樾枰獜牟煌碾娫雌妹總€(gè)放大器。使用多個(gè)窄帶放大器意味著需要更多偏置電路和低壓差調(diào)節(jié)器，這就會(huì)提高系統(tǒng)成本、器件數(shù)量和復(fù)雜度，而更高的復(fù)雜度意味著可靠性會(huì)降低，因而設(shè)備壽命可能較短。

ADRV9002 是業(yè)界首款高性能、高度集成的收發(fā)器 IC，工作頻率為 30 MHz 至 6 GHz，能夠處理 12 kHz 至 40 MHz 的窄帶或?qū)拵?a target="_blank">信號(hào)。該接收器設(shè)計(jì)用于苛刻的高動(dòng)態(tài)范圍 (150dBc/Hz) 和線性應(yīng)用，存在大型阻塞器時(shí)，該器件可以解譯和吸收有用的 RF 信號(hào)。發(fā)送器提供最高線性度和輸出功率，同時(shí)具有最低的本底噪聲，以實(shí)現(xiàn)最佳發(fā)送器信號(hào)純度和范圍?！癆DRV9002 獨(dú)特的系統(tǒng)特性以及功耗與性能之間的權(quán)衡配置，使其適合功耗敏感的市場(chǎng)領(lǐng)域和應(yīng)用。”Mercy 表示。

用于基站應(yīng)用的小尺寸、低功耗寬帶 RF 收發(fā)器

ADI 寬帶放大器最早是針對(duì)無(wú)線通訊基礎(chǔ)設(shè)施而設(shè)計(jì)，比如宏基站、小站，之后又衍生到了中繼站、IoT 網(wǎng)關(guān)，包括小站、微站等。近些年，ADI 的寬帶收發(fā)器系列不斷推陳出新，基本上一年一更迭，陸續(xù)推出了 AD9371/9375，ADRV9008/9，ADRV9026，每一代都性能更強(qiáng)，帶寬更寬。

ADRV9026 是 ADI 第四代寬帶 RF 收發(fā)器，是一款高度集成的緊湊型低功耗 4T4R 解決方案，尺寸小巧，并且支持 TDD 和 FDD 應(yīng)用，具有 16Gbps JESD204B/JESD204C 數(shù)字接口，適用于蜂窩基站收發(fā)信臺(tái)（BTS）遠(yuǎn)程無(wú)線電裝置（RRU），符合大規(guī)模多進(jìn)多出（m-MIMO）、小型蜂窩基站和大型 3G/4G/5G 系統(tǒng)等蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的高性能要求。其支持最高 200MHz 接收帶寬，覆蓋 650MHz 至 6GHz 的頻率，最大觀測(cè)接收器 / 發(fā)射器頻率合成帶寬為 450MHz，用于所有本振和基帶時(shí)鐘的多芯片相位同步。“與前幾代產(chǎn)品相比，ADRV9026 收發(fā)器的功耗降低了 50%，能夠提高無(wú)線電密度以支持更多的天線，并以更低的成本和系統(tǒng)功耗支持開放式無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)（ORAN）的小基站設(shè)計(jì)。收發(fā)器采用 3G/4G/5G 系統(tǒng)通用的平臺(tái)設(shè)計(jì)，有助于降低眾多應(yīng)用的成本和復(fù)雜性，其靈活的設(shè)計(jì)還支持模塊化架構(gòu)以實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的無(wú)線電解決方案。”Mercy 在演講中強(qiáng)調(diào)。

通話容量和數(shù)據(jù)吞吐量的再一次升級(jí)

超寬帶無(wú)線通信信號(hào)占用極寬的頻帶，可與其他通信系統(tǒng)共享頻譜資源，功率譜也可以做到極低，從而不去干擾其他通信系統(tǒng)，它是短距離無(wú)線通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，例如智能交通、消防、防務(wù)通信等，具有巨大研究?jī)r(jià)值和市場(chǎng)前景。ADI 推出的混合信號(hào)前端 (MxFE?) RF 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器平臺(tái)可滿足 5G 測(cè)試和測(cè)量設(shè)備、寬帶有線視頻流、多天線相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)、低地球軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中其他寬帶應(yīng)用的需求。該平臺(tái)結(jié)合了高性能模擬和數(shù)字信號(hào)處理功能，允許制造商在與單頻段無(wú)線電相同的占板面積上安裝多頻段無(wú)線電，使當(dāng)今 4G LTE 基站的通話容量提高 3 倍。

例如 AD9081 和 AD9082 MxFE 器件分別集成了 8 個(gè)和 6 個(gè) RF 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，采用 28 nm CMOS 工藝技術(shù)制造，均實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最寬的瞬時(shí)信號(hào)帶寬，由于減少了頻率轉(zhuǎn)換級(jí)的數(shù)量和放寬濾波器要求，從而簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)。與其他器件相比，這些更高集成高度的器件通過減少芯片數(shù)量來(lái)解決無(wú)線設(shè)備設(shè)計(jì)人員面臨的空間限制問題，使得印刷電路板 (PCB) 面積縮小 60%。新型 MxFE 平臺(tái)還支持無(wú)線運(yùn)營(yíng)商為其蜂窩塔增加更多天線，以滿足新興 mmWave 5G 的更高無(wú)線電密度和數(shù)據(jù)速率要求。

以射頻微波技術(shù)，攜手客戶超越一切可能

為實(shí)現(xiàn)各種頻率帶寬下無(wú)線通信低功耗、小尺寸和高可靠性的傳輸，特別是全頻譜接入、高頻段乃至毫米波傳輸、高頻譜效率 3 大基礎(chǔ)性能要求都對(duì)器件原材料、制造工藝與性能指標(biāo)有了更高的要求。ADI 這樣少數(shù)方案提供商所擁有‘全頻譜’能力，在整個(gè)射頻和微波、毫米波上的布局能夠滿足不同場(chǎng)景的應(yīng)用。此外，長(zhǎng)期持久的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)也將使 ADI 攜手合作伙伴，一起在未來(lái)在更多領(lǐng)域應(yīng)用中探索出新的機(jī)遇。

審核編輯 黃宇