ADI新款高功率硅开关用于大规模 MIMO 设计

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5V电源供电运行，偏置电流小于1mA，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。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

0．7GHz至 3．5GHz

0．6 0．6dB，2．7 GHz

0．7 0．7 dB，3．8GHz

45dB，3．8GHz

20W

44 W

4mm?x?4 mm

ADRF5132

0．7GHzto5．0GHz

0．60dB，2．7GHz

0．65dB，3．8 GHz

0．90dB，5．0 GHz

45dB，3．8GHz

45dB，5．0 GHz

3．2W

20 W，3．8GHz

10 W，5．0GHz

3mm?x?3mm

ADRF5160

0．7GHzto4．0GHz

0．8 0．8dB，2．7 GHz

0．9 0．9dB，3．8 GHz

48dB，3．8GHz

40W

88 W

5mm?x?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。