ADI的RF前端系列支持實(shí)現緊湊型5G大規模MIMO網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)電

在4G LTE蜂窩基站后期部署中，普遍采用大規模多路輸入、多路輸出(MIMO)無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，特別是在密集的城市地區，小型蜂窩有效地填補了蜂窩覆蓋的空白，同時(shí)提高了數據服務(wù)速度。此架構的成功清楚印證了其價(jià)值。因為這種架構本身具備所需的頻譜效率和傳輸可靠性，它將成為新興的5G網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)電的首選架構。讓5G變成現實(shí)的挑戰在于，設計人員必須大幅增加同時(shí)在多個(gè)頻段運行的收發(fā)器通道的數量，同時(shí)將所有必要的硬件壓縮整合到與前一代設備同樣大小或更小的空間中。

這樣做意味著(zhù)：

u       通道越多，基站內外的射頻功率就越高，如此會(huì )加劇相互無(wú)干擾的通道之間隔離的問(wèn)題。

u       為了在高功率信號下保持可靠性，接收器前端組件必須提高動(dòng)態(tài)范圍性能。

u       解決方案的尺寸非常重要。

u       隨著(zhù)電子設備和發(fā)射器功率不斷增加，必須解決熱管理問(wèn)題。

為了尋求更高的數據速率來(lái)支持各種無(wú)線(xiàn)服務(wù)和不同的傳輸方案，系統設計人員面臨著(zhù)電路更復雜，同時(shí)必須滿(mǎn)足類(lèi)似的尺寸、功率和成本預算的境況。在基站塔中增加更多收發(fā)通道可以獲得更高的吞吐量，但在更高的射頻功率等級上實(shí)現每個(gè)通道，與將系統的復雜度和成本保持在可接受的水平一樣重要。為了實(shí)現更高的射頻功率，硬件設計人員在射頻前端設計中沒(méi)有太多選擇，而是依賴(lài)于需要高偏置功率和復雜外設電路的傳統解決方案來(lái)實(shí)現，這使得實(shí)現設計目標時(shí)更加困難。

ADI公司最近推出適合時(shí)分雙工(TDD)系統的多芯片模塊，其中集成低噪聲放大器(LNA)和高功率開(kāi)關(guān)。ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549系列涵蓋1.8 GHz至5.3 GHz蜂窩頻段，針對 M-MIMO天線(xiàn)接口進(jìn)行了優(yōu)化設計。該全新系列器件通過(guò)硅工藝集成高功率開(kāi)關(guān)以及GaAs工藝集成高性能低噪聲放大器，兼具高射頻功率處理能力和高集成度，無(wú)需犧牲任何一方面——可謂兩全其美。

雙通道架構

M-MIMO RF前端設計的ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549應用框圖如圖1所示。該器件通道中集成高功率開(kāi)關(guān)和兩級LNA。在收發(fā)器以接收模式運行期間，開(kāi)關(guān)將輸入信號路由至LNA輸入。在發(fā)射模式期間，輸入路由至50 Ω端電極，以確保與天線(xiàn)接口正確匹配，并將LNA與天線(xiàn)的任何反射功率隔離。集成式雙通道架構允許設計人員輕松擴展MIMO，使其超過(guò)傳統設備8×8（8發(fā)射器×8接收器）配置的限制，達到16×16、32×32、64×64，甚至更高。

圖1.M-MIMO射頻前端框圖。

寬工作帶寬

ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549的增益特性及其頻率覆蓋范圍如圖2所示。各器件針對常用的蜂窩頻段進(jìn)行了優(yōu)化，并與同一設計中使用的其他調諧組件（例如功率放大器和濾波器）保持一致。

圖2.ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549增益特性

高功率保護開(kāi)關(guān)

該器件內含通過(guò)硅工藝設計的大功率開(kāi)關(guān)，不需要采用任何外部組件來(lái)產(chǎn)生偏置。此開(kāi)關(guān)基于5 V單電源運行，電流消耗僅為10 mA，可以直接與標準數字微控制器連接，無(wú)需采用任何負電壓或電平轉換器。與采用基于PIN二極管開(kāi)關(guān)的實(shí)現方案相比，硅開(kāi)關(guān)可以為用戶(hù)節省約80%的偏置功率和90%的電路板空間。

該開(kāi)關(guān)在連續運行時(shí)可處理峰均比(PAR)為9 dB的10 W平均射頻信號，在故障情況下可承受兩倍額定功率。ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549是市場(chǎng)上首批具備10 W功率處理能力的產(chǎn)品，因此特別適用于高功率M-MIMO設計。如果每個(gè)天線(xiàn)元件可以傳輸更多的功率，那么就可以減少傳輸通道的數量，并從基站中獲取相同的射頻功率。ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549架構如圖3所示，從中可以看出，兩個(gè)通道的大功率開(kāi)關(guān)都由同一器件引腳供電和控制。LNA則有自己的電源和控制信號設計。

圖3.ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549電路架構

低噪聲系數

兩級LNA通過(guò)GaAs工藝進(jìn)行設計，采用5 V單電源供電，無(wú)需采用任何外部偏置電感器。增益在頻率范圍內具有平坦特性，在高增益模式和低增益模式下可分別編程至32 dB和16 dB。該器件還具有低功耗模式，以節省偏置電源，其中LNA可以在傳輸操作期間關(guān)閉電源。該器件的噪聲系數為1.45 dB（包括開(kāi)關(guān)的插入損耗），非常適合用于高功率和低功率M-MIMO系統。圖4顯示ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549在指定頻段的噪聲系數性能。

圖4.ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549噪聲系數

小尺寸，外部組件數量最少

除了電源引腳上的初級解耦電容和射頻信號引腳上的隔直電容外，該器件不需要任何調諧或匹配元件。射頻輸入和輸出在50 Ω匹配。LNA設計中集成了匹配和偏置電感。這減少了昂貴組件（如電感）的材料成本，也簡(jiǎn)化了相鄰收發(fā)器之間的通道間串擾的硬件設計。此器件采用6 mm × 6 mm表貼封裝，具有散熱增強底板。該器件在-40°C到+105°C的額定殼溫范圍內工作。所有三個(gè)芯片都具有相同的封裝，采用相同的引腳排列配置?？梢栽谕浑娐钒迳匣Q使用。圖5顯示該器件如何安裝在其評估板上。評估板可以直接從ADI或通過(guò)其分銷(xiāo)商獲取。

圖5.ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549評估板

作者簡(jiǎn)介

Bilge Bayrakci于2009年加入ADI公司，是A射頻和微波控制產(chǎn)品部的市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)和產(chǎn)品經(jīng)理。他擁有 伊斯坦布爾技術(shù)大學(xué)的電氣工程碩士學(xué)位，擁有20多年半導體行業(yè)從業(yè)經(jīng)驗。