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在5G基站射频前端取代20个器件的产品是什么概念?

时间:2019-03-12 作者:ADI 阅读:
随着通信标准的演进以及载波聚合、MIMO等技术不断成熟,5G通信时代将出现小基站、微基站、纳基站、皮基站,甚至更小的飞基站,它们将隐匿在路灯、公交车站牌等不起眼的角落,为人口密集、大基站无法触及的区域提供通信能力,并进一步形成大规模MIMO系统。
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5G毫无疑问是撬动通信行业的重要支点,除了庞大的手机终端市场,基础设施基站等市场也将迎来爆发。根据DG Times预计,2020年5G通信基站整体市场规模为11.43亿美元,到2026年增长至342.86亿美元,复合增速在50%以上。技术发展上,随着通信标准的演进以及载波聚合、MIMO等技术不断成熟,5G通信时代将出现小基站、微基站、纳基站、皮基站,甚至更小的飞基站,它们将隐匿在路灯、公交车站牌等不起眼的角落,为人口密集、大基站无法触及的区域提供通信能力,并进一步形成大规模MIMO系统。jzAEETC-电子工程专辑

构建大规模MIMO的难点在哪?

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。因此,大规模MIMO系统如何构建,又存在哪些难点尚需解决呢?jzAEETC-电子工程专辑

在不久前落下帷幕的2018中国ICT企业家大会上,笔者在与ADI通信技术专家的交谈中得知,高度集成的单芯片射频收发器解决方案可以推动快速构建大规模MIMO系统。ADI专家表示:“在这一类系统的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。ADI最新推出RadioVerseTM ADRV9008/ADRV9009的收发器系列产品,提供两倍于前代器件的带宽(200 MHz),可取代多达20个器件,功耗降低一半,封装尺寸减小60%,可以为设计人员提供单一无线电平台来加速5G部署。”jzAEETC-电子工程专辑

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图1:中国ICT企业家大会上,ADI RadioVerse射频技术和生态系统获得2018年度ICT产业最佳解决方案殊荣jzAEETC-电子工程专辑

同时,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。该技术专家表示,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。jzAEETC-电子工程专辑

高功率硅开关应用示例

在实际应用、如时分双工(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。ADI专家称,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2所示),或在接收路径中使用(针对较高功率应用,如图3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。jzAEETC-电子工程专辑

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图2:天线开关jzAEETC-电子工程专辑

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图3:LNA保护开关jzAEETC-电子工程专辑

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,一直是首选解决方案。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。下图表示了一款用于基于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。jzAEETC-电子工程专辑

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图4:PIN二极管开关jzAEETC-电子工程专辑

节省RF前端设计的偏置功率,这款器件有话讲

与此同时,ADI专家表示:“ADI RadioVerse ADRV9008/ADRV9009这一款全新的高功率硅开关十分适合大规模MIMO设计。它们依靠单5V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。”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。jzAEETC-电子工程专辑

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图5:ADI公司ADRV9008/ADRV9009硅开关示意图jzAEETC-电子工程专辑

通过并排对比了单层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。ADI专家告诉笔者,这样可以大大简化电源要求,且不需要高功率电阻器,这也是采用ADI硅开关带来的好处之一。jzAEETC-电子工程专辑

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图6:基于PIN二极管的开关设计与硅开关的并排比较jzAEETC-电子工程专辑

事实上,ADI的高功率硅开关能够处理高达80W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。下图罗列了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。jzAEETC-电子工程专辑

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图7:ADI公司已推出高功率硅开关系列产品,轻松应对5G挑战
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后记

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。jzAEETC-电子工程专辑

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