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ADI’s High Power Silicon Switches Save Bias Power and External Components in Massive MIMO RF Front-End Design 作者：Bilge Bayrakci，Analog Devices 公司 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 新推出的 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 采用硅技術的新型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 采用硅技術的新型高功率開關為 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 的新款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。
圖 4.ADRV9008/ADRV9009 硅開關。 圖 5 并排對比了單層 PCB 設計上基于 PIN 二極管的開關和新型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。
圖 5.基于 PIN 二極管的開關設計與硅開關的并排比較。 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 新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 的新型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 還將調高新設計的頻率，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 新型硅開關， 作者簡介 Bilge Bayrakci 是 ADI 射頻和微波控制產品部的營銷和產品經理。他獲得伊斯坦布爾科技大學電氣工程碩士學位，并擁有 20 多年的半導體行業從業經驗。他于 2009 年加入 ADI。聯系方式：bilge.bayrakci@analog.com。 |
