ADI 高功率硅开关可节省大规模 MIMO　RF 前端设计中的偏置功率和外部组件

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。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。

表 1.ADI 新推出的高功率硅开关系列

       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   0.6 dB，2.7 GHz  45 dB，3.8 GHz  20 W  44 W  4 mm x 4 mm
  0.7  0.7 dB，3.8 GHz
  　  　  　  45 dB，3.8 GHz  　  20 W，3.8 GHz  　
  ADRF5132  0.7 GHz to 5.0  GHz  0.60 dB，2.7 GHz  45 dB，5.0 GHz  3.2 W  10 W，5.0 GHz  3 mm x 3 mm
  　  　  0.65 dB，3.8 GHz  　  　  　  　
  　  　  0.90 dB，5.0 GHz  　  　  　  　
  ADRF5160  0.7 GHz to 4.0 GHz  0.8    0.8 dB，2.7 GHz  48 dB，3.8 GHz  40 W  88 W  5 mm x 5 mm
  0.9    0.9 dB，3.8 GHz

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，

作者简介

Bilge Bayrakci 是 ADI 射频和微波控制产品部的营销和产品经理。他获得伊斯坦布尔科技大学电气工程硕士学位，并拥有 20 多年的半导体行业从业经验。他于 2009 年加入 ADI。联系方式：bilge.bayrakci@analog.com。