高功率硅開關(guān)節(jié)省大規(guī)模MIMO RF前端設(shè)計(jì)中的偏置功率和外部組件

多輸入、多輸出 (MIMO) 收發(fā)器架構(gòu)廣泛用于高功率 RF 無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。作為邁入 5G 時(shí)代的一步，覆蓋蜂窩頻段的大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)目前正在城市地區(qū)進(jìn)行部署，以滿足用戶對(duì)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 (例如，ADI 新推出的 ADRV9008/ADRV9009產(chǎn)品系列) 的面市促成了此項(xiàng)成就。在此類系統(tǒng)的 RF 前端部分仍然需要實(shí)現(xiàn)類似的集成，意在降低功耗 (以改善熱管理) 和縮減尺寸(以降低成本)，從而容納更多的 MIMO 通道。

MIMO 架構(gòu)允許放寬對(duì)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，外圍電路的復(fù)雜性和功耗也相應(yīng)升高。ADI 采用硅技術(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略不計(jì)的水平。ADI 采用硅技術(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)師提供了提高其系統(tǒng)復(fù)雜度的靈活性，且不會(huì)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，以隔離和保護(hù)接收器輸入免受發(fā)送信號(hào)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(duì)較低的系統(tǒng)中，如圖 1 所示)，或在接收路徑中使用 (針對(duì)較高功率應(yīng)用，如圖 2 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。

圖 1. 天線開關(guān)。

圖 2. LNA 保護(hù)開關(guān)。

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能力，一直是優(yōu)選解決方案。然而，在大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，它們需要高偏置電壓以施加反向偏置 (用于提供隔離) 和高電流以施加正向偏置 (用于實(shí)現(xiàn)低插入損耗)，這就變成了缺點(diǎn)。圖 3示出了一款用于基于 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)行控制。

圖 3. PIN 二極管開關(guān)。

ADI 的新款高功率硅開關(guān)更適合大規(guī)模 MIMO 設(shè)計(jì)。它們依靠單5 V 電源供電運(yùn)行，偏置電流小于 1 mA，并且不需要外部組件或接口電路。圖 4 中示出了內(nèi)部電路架構(gòu)?；?FET 的電路可采用低偏置電流和低電源電壓工作，因而將功耗拉低至可忽略的水平，并可在系統(tǒng)級(jí)上幫助熱管理。除了易用性之外，該器件架構(gòu)還可提供更好的隔離性能，因?yàn)樵?RF 信號(hào)路徑上納入了更多的并聯(lián)支路。

圖 4. ADRV9008/ADRV9009 硅開關(guān)。

圖 5 并排對(duì)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。

圖 5. 基于 PIN 二極管的開關(guān)設(shè)計(jì)與硅開關(guān)的并排比較。

ADI 的高功率硅開關(guān)能夠處理高達(dá) 80 W 的 RF 峰值功率，這足以滿足大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)的峰值平均功率比要求，并留有裕量。表 1列出了 ADI 專為不同的功率級(jí)別和各種封裝類型而優(yōu)化的高功率硅開關(guān)系列。這些器件繼承了硅技術(shù)的固有優(yōu)勢(shì)，而且與替代方案相比，可實(shí)現(xiàn)更好的 ESD 堅(jiān)固性和降低部件與部件間的差異。

大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)將繼續(xù)發(fā)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，以提供面向 TDD 接收器前端的完整、單芯片解決方案。另外，ADI 還將調(diào)高新設(shè)計(jì)的頻率，并將引領(lǐng)針對(duì)毫米波5G 系統(tǒng)的相似解決方案。隨著ADI 將其高功率硅開關(guān)產(chǎn)品系列擴(kuò)展到了 X 波段頻率和更高的常用頻段，電路設(shè)計(jì)人員和系統(tǒng)架構(gòu)師還將在其他應(yīng)用 (例如相控陣系統(tǒng)) 中受益于 ADI 新型硅開關(guān)。

審核編輯：郭婷