构建大规模MIMO的难点在哪？

　　5G毫无疑问是撬动通信行业的重要支点，除了庞大的手机终端市场，基础设施基站等市场也将迎来爆发。根据DG Times预计，2020年5G通信基站整体市场规模为11.43亿美元，到2026年增长至342.86亿美元，复合增速在50%以上。技术发展上，随着通信标准的演进以及载波聚合、MIMO等技术不断成熟，5G通信时代将出现小基站、微基站、纳基站、皮基站，甚至更小的飞基站，它们将隐匿在路灯、公交车站牌等不起眼的角落，为人口密集、大基站无法触及的区域提供通信能力，并进一步形成大规模MIMO系统。
　　构建大规模MIMO的难点在哪？
　　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。因此，大规模MIMO系统如何构建，又存在哪些难点尚需解决呢？
　　在不久前落下帷幕的2018中国ICT企业家大会上，笔者在与ADI通信技术专家的交谈中得知，高度集成的单芯片射频收发器解决方案可以推动快速构建大规模MIMO系统。ADI专家表示：“在这一类系统的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。ADI最新推出RadioVerseTM ADRV9008/ADRV9009的收发器系列产品，提供两倍于前代器件的带宽（200 MHz），可取代多达20个器件，功耗降低一半，封装尺寸减小60%，可以为设计人员提供单一无线电平台来加速5G部署。”
　　
　　图1：中国ICT企业家大会上，ADI RadioVerse射频技术和生态系统获得2018年度ICT产业最佳解决方案殊荣
　　同时，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。该技术专家表示，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。

　　高功率硅开关应用示例
　　在实际应用、如时分双工（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。ADI专家称，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2所示），或在接收路径中使用（针对较高功率应用，如图3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2：天线开关
　　
　　图3：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。下图表示了一款用于基于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4：PIN二极管开关
　　节省RF前端设计的偏置功率，这款器件有话讲
　　与此同时，ADI专家表示：“ADI RadioVerse ADRV9008/ADRV9009这一款全新的高功率硅开关十分适合大规模MIMO设计。它们依靠单5V电源供电运行，偏置电流小于1 mA，并且不需要外部组件或接口电路。”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5：ADI公司ADRV9008/ADRV9009硅开关示意图
　　通过并排对比了单层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。ADI专家告诉笔者，这样可以大大简化电源要求，且不需要高功率电阻器，这也是采用ADI硅开关带来的好处之一。
　　
　　图6：基于PIN二极管的开关设计与硅开关的并排比较
　　事实上，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。下图罗列了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。
　　
　　图7：ADI公司已推出高功率硅开关系列产品，轻松应对5G挑战
　　后记
　　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。