高功率硅开关节省大规模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。
| 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。
审核编辑：郭婷
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