射頻 （RF） 收發(fā)器是無線設(shè)計的內(nèi)在組成部分，正在 5G 領(lǐng)域進(jìn)行徹底改造。這主要是因為大規(guī)模 MIMO、波束成形和多頻段通信等新技術(shù)對更高容量的需求導(dǎo)致了高度集成的無線電解決方案的創(chuàng)建。

然而，在單個設(shè)備中促進(jìn)接收和發(fā)送路徑的射頻收發(fā)器必須在實際尺寸、重量、功耗和成本限制范圍內(nèi)提高集成度。這導(dǎo)致了射頻架構(gòu)的快速轉(zhuǎn)變。

以下是 5G 時代射頻收發(fā)器演進(jìn)的主要亮點。首先是射頻收發(fā)器如何轉(zhuǎn)向更寬的帶寬和更高的速度。

1. 更寬的信號帶寬

5G 的出現(xiàn)是為了通過新的無線電技術(shù)（如 MIMO、波束成形和高密度天線陣列）有效地提供更高的容量。在這里，RF 收發(fā)器通過提供更寬的頻率范圍為這種無線發(fā)電機(jī)做出了貢獻(xiàn)，為工程師提供了在寬頻率范圍內(nèi)設(shè)計應(yīng)用的靈活性。

以 Analog Devices Inc. 的ADRV9009射頻收發(fā)器為例。它提供高達(dá) 200 MHz 的信號帶寬——是上一代收發(fā)器芯片的兩倍——以適應(yīng)新興 5G 無線網(wǎng)絡(luò)對天線密度和擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容量的要求基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備。

RF 收發(fā)器可在 75 MHz 至 6 GHz 范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧，以支持 2G、3G、4G 和 5G 無線網(wǎng)絡(luò)，并且適用于所有頻段和功率變體。它是一種基于時分雙工 （TDD） 技術(shù)的單芯片解決方案，既適用于 5G 等寬帶服務(wù)，也適用于軍事通信和信號情報等窄帶應(yīng)用。

同樣，MaxLinear 的四射頻收發(fā)器針對有源天線系統(tǒng) （AAS） 進(jìn)行了優(yōu)化，以促進(jìn)大規(guī)模 MIMO 應(yīng)用。MxL1500 收發(fā)器針對低功耗設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化，信號帶寬高達(dá) 200 MHz，而 MxL1600 收發(fā)器提供高達(dá) 400 MHz 的信號帶寬。

RF 收發(fā)器提供更寬的頻率范圍和更高的瞬時帶寬的能力與高度集成的無線電解決方案交織在一起，這些解決方案可以吸收更多組件并縮小芯片尺寸。下一節(jié)將介紹射頻收發(fā)器的集成方面。

2. 高度集成的解決方案

在 5G 時代，我們看到了從包含大量分立元件的特定頻段設(shè)計向單芯片收發(fā)器解決方案的轉(zhuǎn)變。這些單芯片設(shè)備正在采用創(chuàng)新的射頻架構(gòu)，將集成提升到一個全新的水平。

首先，這些單芯片收發(fā)器集成了主要的射頻構(gòu)建模塊，例如 I/Q 調(diào)制器、壓控振蕩器 （VCO）、功率放大器 （PA）、低噪聲放大器 （LNA）、可編程增益放大器 （PGA） ，和SPI控制接口。

接下來，MaxLinear 的MxL1500 和 MxL1600等 RF 收發(fā)器能夠?qū)⑺膫€發(fā)射器、四個接收器和最多兩個反饋接收器封裝在一個設(shè)備中。根據(jù) MaxLinear 的說法，這可以將功耗降低多達(dá) 50%。

德州儀器 （TI） 的雙通道和四通道射頻采樣收發(fā)器還提供了一個案例研究，說明現(xiàn)代射頻收發(fā)器芯片的集成度如何提高。雙通道AFE7422和四通道AFE7444收發(fā)器允許無線設(shè)計人員使用單個芯片支持多達(dá) 8 根天線和 16 個 RF 頻段。

這些收發(fā)器使工程師能夠直接將輸入頻率采樣到 C 波段，而無需額外的頻率轉(zhuǎn)換級（圖 2）。這反過來又消除了本地振蕩器、混頻器、放大器和濾波器。它還優(yōu)化了收發(fā)器與天線的接近度，從而促進(jìn)了高頻和高密度天線陣列中的數(shù)字波束成形。

圖 2：TI 的四通道 AFE7444 器件繞過額外的頻率轉(zhuǎn)換級這一事實導(dǎo)致高通道數(shù)系統(tǒng)的顯著改進(jìn)。

此外，TI 的射頻采樣收發(fā)器在單個芯片中集成了四個模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 和四個數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC），從而顯著縮短了設(shè)計周期。結(jié)果，工程師最終花費的時間比他們在測試分立射頻組件上花費的時間要少得多。

3. 令人難以置信的縮小射頻收發(fā)器

RF 收發(fā)器中集成和小型化的影響越來越大，這帶來了另一個關(guān)鍵的設(shè)計優(yōu)勢：消除了分立元件。高度集成的收發(fā)器無需外部 RF 分立，可降低總體成本、縮小尺寸并為電路板放置提供靈活性。

例如，與分立式射頻采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器相比，TI 的射頻采樣收發(fā)器尺寸為 17 毫米 x 17 毫米，聲稱可節(jié)省 75% 的電路板空間。同樣，ADI 的 ADRV9009 RF 收發(fā)器替換了 20 個組件，將功耗降低了一半，并將封裝尺寸縮小了 60%。

圖 3：ADI 的 ADRV9009 片上系統(tǒng) （SoC） 無線電解決方案通過處理片上本地振蕩器 （LO） 同步簡化了數(shù)字波束成形設(shè)計，因此無需外部 LO。

ADRV9009 收發(fā)器芯片（圖 3）集成了輔助功能，包括 ADC、DAC、用于功率放大器的通用輸入/輸出 （GPIO） 和射頻前端控制。它還集成了合成器和數(shù)字信號處理 （DSP） 功能。

本文中概述的射頻收發(fā)器芯片展示了這些半導(dǎo)體無線電解決方案如何在縮小物理尺寸的同時顯著擴(kuò)展功能。此外，這些單芯片解決方案還附帶軟件工具、參考設(shè)計以及評估和原型設(shè)計平臺。

審核編輯：郭婷