ADI 的高功率硅开关可节省大规模 MIMO RF 前端设计中的偏置功率和外部组件

多输入、多输出 (MIMO) 收发器架构广泛用于高功率 RF 无线通信系统的设计。作为迈入 5G 时代的一步,覆盖蜂窝频段的大规模 MIMO 系统目前正在城市地区进行部署,以满足用户对于高数据吞吐量和一系列新型业务的新兴需求。高度集成的单芯片射频收发器解决方案 (例如,ADI 新推出的 ADRV9008/ADRV9009产品系列) 的面市促成了此项成就。在此类系统的 RF 前端部分仍然需要实现类似的集成,意在降低功耗 (以改善热管理) 和缩减尺寸(以降低成本),从而容纳更多的 MIMO 通道。

MIMO 架构允许放宽对放大器和开关等构建模块的 RF 功率要求。然而,随着并行收发器通道数目的增加,外围电路的复杂性和功耗也相应升高。ADI 采用硅技术的新型高功率开关专为简化RF 前端设计而研发,免除外围电路的需要并将功耗降至可忽略不计的水平。ADI 采用硅技术的新型高功率开关为 RF 设计人员和系统架构师提供了提高其系统复杂度的灵活性,且不会让 RF前端成为其设计瓶颈。

在时分双工 (TDD) 系统中,天线接口纳入了开关功能,以隔离和保护接收器输入免受发送信号功率的影响。该开关功能可直接在天线接口上使用 (在功率相对较低的系统中,如图 1 所示),或在接收路径中使用 (针对较高功率应用,如图 2 所示),以保证正确接至双工器。在开关输出上设有一个并联支路将有助改善隔离性能。

图 1. 天线开关。

图 2. LNA 保护开关。

基于 PIN 二极管的开关具备低插入损耗特性和高功率处理能力,一直是优选解决方案。然而,在大规模 MIMO 系统的设计中,它们需要高偏置电压以施加反向偏置 (用于提供隔离) 和高电流以施加正向偏置 (用于实现低插入损耗),这就变成了缺点。图 3示出了一款用于基于 PIN 二极管的开关及其外设的典型应用电路。三个分立的 PIN 二极管通过其偏置电源电路施加偏置,并通过一个高电压接口电路进行控制。

图 3. PIN 二极管开关。

ADI 的新款高功率硅开关更适合大规模 MIMO 设计。它们依靠单5 V 电源供电运行,偏置电流小于 1 mA,并且不需要外部组件或接口电路。图 4 中示出了内部电路架构。基于 FET 的电路可采用低偏置电流和低电源电压工作,因而将功耗拉低至可忽略的水平,并可在系统级上帮助热管理。除了易用性之外,该器件架构还可提供更好的隔离性能,因为在 RF 信号路径上纳入了更多的并联支路。

图 4. ADRV9008/ADRV9009 硅开关。

图 5 并排对比了单层 PCB 设计上基于 PIN 二极管的开关和新型硅开关的印刷电路板 (PCB) 原图。与基于 PIN 二极管的开关相比,硅开关所占用的 PCB 面积不到其 1/10。它简化了电源要求,且不需要高功率电阻器。

图 5. 基于 PIN 二极管的开关设计与硅开关的并排比较。

ADI 的高功率硅开关能够处理高达 80 W 的 RF 峰值功率,这足以满足大规模 MIMO 系统的峰值平均功率比要求,并留有裕量。表 1列出了 ADI 专为不同的功率级别和各种封装类型而优化的高功率硅开关系列。这些器件继承了硅技术的固有优势,而且与替代方案相比,可实现更好的 ESD 坚固性和降低部件与部件间的差异。

表 1.ADI 新推出的高功率硅开关系列
产品型号 频率 插入损耗 隔离 平均功率 峰值功率 封装
ADRF5130 0.7 GHz 至 3.5 GHz 0.6 dB, 2.7 GHz
0.7 dB, 3.8 GHz
45 dB, 3.8 GHz 20 W 44 W 4 mm × 4 mm
ADRF5132 0.7 GHz 至 5.0 GHz 0.60 dB, 2.7 GHz
0.65 dB, 3.8 GHz
0.90 dB, 5.0 GHz
45 dB, 3.8 GHz
45 dB, 5.0 GHz
3.2 W 20 W, 3.8 GHz
10 W, 5.0 GHz
3 mm × 3 mm
ADRF5160 0.7 GHz 至 4.0 GHz 0.8 dB, 2.7 GHz
0.9 dB, 3.8 GHz
48 dB, 3.8 GHz 40 W 88 W 5 mm × 5 mm

大规模 MIMO 系统将继续发展,并将需要进一步提高集成度。ADI 的新型高功率硅开关技术很适合多芯片模块 (MCM) 设计,将LNA 一起集成,以提供面向 TDD 接收器前端的完整、单芯片解决方案。另外,ADI 还将调高新设计的频率,并将引领针对毫米波5G 系统的相似解决方案。随着ADI 将其高功率硅开关产品系列扩展到了 X 波段频率和更高的常用频段,电路设计人员和系统架构师还将在其他应用 (例如相控阵系统) 中受益于 ADI 新型硅开关。

作者

Bilge Bayrakci

Bilge Bayrakci

Bilge Bayrakci 拥有伊斯坦布尔科技大学电气工程学士学位和硕士学位。1997年开始其职业生涯,最初在ST Microelectronics担任IC设计工程师,多年来在电信和消费半导体行业担任过多种研发管理职位。2009年加入ADI公司,现担任射频和微波控制产品部门的营销与产品经理。