多輸入、多輸出 (MIMO) 收發器架構廣泛用于高功率 RF 無線通信系統的設計。作為邁入 5G 時代的一步,覆蓋蜂窩頻段的大規模MIMO 系統目前正在城市地區進行部署,以滿足用戶對于高 數據吞吐量和一系列新型業務的新興需求。
高度集成的單芯片射頻收發器解決方案 (例如,ADI 推出的 ADRV9008/ADRV9009產品系列) 的面市促成了此項成就。在此類系統的 RF 前端部分仍然需要實現類似的集成,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 架構允許放寬對放大器和開關等構建模塊的 RF 功率要求。然而,隨著并行收發器通道數目的增加,外圍電路的復雜性和功耗也相應升高。ADI 采用硅技術的高功率開關專為簡化RF 前端設計而研發,免除外圍電路的需要并將功耗降至可忽略不計的水平。ADI 采用硅技術的高功率開關為 RF 設計人員和系統架構師提供了提高其系統復雜度的靈活性,且不會讓 RF前端成為其設計瓶頸。
在時分雙工 (TDD) 系統中,天線接口納入了開關功能,以隔離和保護接收器輸入免受發送信號功率的影響。該開關功能可直接在天線接口上使用 (在功率相對較低的系統中,如圖 1 所示),或在接收路徑中使用 (針對較高功率應用,如圖 2 所示),以保證正確接至雙工器。在開關輸出上設有一個并聯支路將有助改善隔離性能。
圖 1. 天線開關
圖 2. LNA 保護開關
基于 PIN 二極管的開關具備低插入損耗特性和高功率處理能力,一直是首選解決方案。然而,在大規模 MIMO 系統的設計中,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 (用于實現低插入損耗),這就變成了缺點。圖 3示出了一款用于基于 PIN 二極管的開關及其外設的典型應用電路。三個分立的 PIN 二極管通過其偏置電源電路施加偏置,并通過一個高電壓接口電路進行控制。
圖 3. PIN 二極管開關
ADI 的高功率硅開關更適合大規模 MIMO 設計。它們依靠單5 V 電源供電運行,偏置電流小于 1 mA,并且不需要外部組件或接口電路。圖 4 中示出了內部電路架構。基于 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,并可在系統級上幫助熱管理。除了易用性之外,該器件架構還可提供更好的隔離性能,因為在 RF 信號路徑上納入了更多的并聯支路。
4. ADRV9008/ADRV9009 硅開關
圖 5 并排對比了單層 PCB 設計上基于 PIN 二極管的開關和硅開關的印刷電路板 (PCB) 原圖。與基于 PIN 二極管的開關相比,硅開關所占用的 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。
ADI 的高功率硅開關能夠處理高達 80 W 的 RF 峰值功率,這足以滿足大規模 MIMO 系統的峰值平均功率比要求,并留有裕量。表 1列出了 ADI 專為不同的功率級別和各種封裝類型而優化的高功率硅開關系列。這些器件繼承了硅技術的固有優勢,而且與替代方案相比,可實現更好的 ESD 堅固性和降低部件與部件間的差異。
表 1. ADI 推出的高功率硅開關系列
大規模 MIMO 系統將繼續發展,并將需要進一步提高集成度。ADI 的高功率硅開關技術很適合多芯片模塊 (MCM) 設計,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 還將調高該設計的頻率,并將引領針對毫米波5G 系統的相似解決方案。隨著ADI 將其高功率硅開關產品系列擴展到了 X 波段頻率和更高的常用頻段,電路設計人員和系統架構師還將在其他應用 (例如相控陣系統) 中受益于 ADI 硅開關。
原文標題:節省MIMO RF前端設計的偏置功率,ADI高功率硅開關可以搞定哦~
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