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[经验] 满足较高的射频功率同时保证尺寸,什么样的方案才能胜任?

2019-12-22 08:00:00  916 射频 5G通信
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4G LTE 蜂窝基站后期部署中,普遍采用大规模多路输入、多路输出(MIMO)无线电技术,特别是在密集的城市地区,小型蜂窝有效地填补了蜂窝覆盖的空白,同时提高了数据服务速度。此架构的成功清楚印证了其价值。因为这种架构本身具备所需的频谱效率和传输可靠性,它将成为新兴的 5G 网络无线电的首选架构。让 5G 变成现实的挑战在于,设计人员必须大幅增加同时在多个频段运行的收发器通道的数量,同时将所有必要的硬件压缩整合到与前一代设备同样大小或更小的空间中。

这样做意味着:

u       通道越多,基站内外的射频功率就越高,如此会加剧相互无干扰的通道之间隔离的问题。

u       为了在高功率信号下保持可靠性,接收器前端组件必须提高动态范围性能。

u       解决方案的尺寸非常重要。

u       随着电子设备和发射器功率不断增加,必须解决热管理问题。

为了寻求更高的数据速率来支持各种无线服务和不同的传输方案,系统设计人员面临着电路更复杂,同时必须满足类似的尺寸、功率和成本预算的境况。在基站塔中增加更多收发通道可以获得更高的吞吐量,但在更高的射频功率等级上实现每个通道,与将系统的复杂度和成本保持在可接受的水平一样重要。为了实现更高的射频功率,硬件设计人员在射频前端设计中没有太多选择,而是依赖于需要高偏置功率和复杂外设电路的传统解决方案来实现,这使得实现设计目标时更加困难。

ADI 公司最近推出适合时分双工(TDD)系统的多芯片模块,其中集成低噪声放大器(LNA)和高功率开关。ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549 系列涵盖 1.8 GHz 至 5.3 GHz 蜂窝频段,针对 M-MIMO 天线接口进行了优化设计。该全新系列器件通过硅工艺集成高功率开关以及 GaAs 工艺集成高性能低噪声放大器,兼具高射频功率处理能力和高集成度,无需牺牲任何一方面——可谓两全其美。

双通道架构
M-MIMO RF 前端设计的 ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549 应用框图如图 1 所示。该器件通道中集成高功率开关和两级 LNA。在收发器以接收模式运行期间,开关将输入信号路由至 LNA 输入。在发射模式期间,输入路由至 50 Ω端电极,以确保与天线接口正确匹配,并将 LNA 与天线的任何反射功率隔离。集成式双通道架构允许设计人员轻松扩展 MIMO,使其超过传统设备 8×8(8 发射器×8 接收器)配置的限制,达到 16×16、32×32、64×64,甚至更高。
图 1.M-MIMO 射频前端框图。

宽工作带宽
ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549 的增益特性及其频率覆盖范围如图 2 所示。各器件针对常用的蜂窝频段进行了优化,并与同一设计中使用的其他调谐组件(例如功率放大器和滤波器)保持一致。
图 2.ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549 增益特性

高功率保护开关
该器件内含通过硅工艺设计的大功率开关,不需要采用任何外部组件来产生偏置。此开关基于 5 V 单电源运行,电流消耗仅为 10 mA,可以直接与标准数字微控制器连接,无需采用任何负电压或电平转换器。与采用基于 PIN 二极管开关的实现方案相比,硅开关可以为用户节省约 80%的偏置功率和 90%的电路板空间。

该开关在连续运行时可处理峰均比(PAR)为 9 dB 的 10 W 平均射频信号,在故障情况下可承受两倍额定功率。
ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549 是市场上首批具备 10 W 功率处理能力的产品,因此特别适用于高功率 M-MIMO 设计。如果每个天线元件可以传输更多的功率,那么就可以减少传输通道的数量,并从基站中获取相同的射频功率。ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549 架构如图 3 所示,从中可以看出,两个通道的大功率开关都由同一器件引脚供电和控制。LNA 则有自己的电源和控制信号设计。
图 3.ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549 电路架构

噪声系数
两级 LNA 通过 GaAs 工艺进行设计,采用 5 V 单电源供电,无需采用任何外部偏置电感器。增益在频率范围内具有平坦特性,在高增益模式和低增益模式下可分别编程至 32 dB 和 16 dB。该器件还具有低功耗模式,以节省偏置电源,其中 LNA 可以在传输操作期间关闭电源。该器件的噪声系数为 1.45 dB(包括开关的插入损耗),非常适合用于高功率和低功率 M-MIMO 系统。图 4 显示 ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549 在指定频段的噪声系数性能。
图 4.ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549 噪声系数

小尺寸,外部组件数量最少
除了电源引脚上的初级解电容和射频信号引脚上的隔直电容外,该器件不需要任何调谐或匹配元件。射频输入和输出在 50 Ω匹配。LNA 设计中集成了匹配和偏置电感。这减少了昂贵组件(如电感)的材料成本,也简化了相邻收发器之间的通道间串扰的硬件设计。此器件采用 6 mm × 6 mm 表贴封装,具有散热增强底板。该器件在 -40°C 到+105°C 的额定壳温范围内工作。所有三个芯片都具有相同的封装,采用相同的引脚排列配置。可以在同一电路板上互换使用。图 5 显示该器件如何安装在其评估板上。评估板可以直接从 ADI 或通过其分销商获取。
图 5.ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549 评估板

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王栋春 2019-12-22 22:00:11
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