重塑5G時(shí)代射頻收發(fā)器的三個(gè)因素

射頻 （RF） 收發(fā)器是無線設(shè)計(jì)的內(nèi)在組成部分，正在 5G 領(lǐng)域進(jìn)行徹底改造。這主要是因?yàn)榇笠?guī)模 MIMO、波束成形和多頻段通信等新技術(shù)對(duì)更高容量的需求導(dǎo)致了高度集成的無線電解決方案的創(chuàng)建。

然而，在單個(gè)設(shè)備中促進(jìn)接收和發(fā)送路徑的射頻收發(fā)器必須在實(shí)際尺寸、重量、功耗和成本限制范圍內(nèi)提高集成度。這導(dǎo)致了射頻架構(gòu)的快速轉(zhuǎn)變。

以下是 5G 時(shí)代射頻收發(fā)器演進(jìn)的主要亮點(diǎn)。首先是射頻收發(fā)器如何轉(zhuǎn)向更寬的帶寬和更高的速度。

1. 更寬的信號(hào)帶寬

5G 的出現(xiàn)是為了通過新的無線電技術(shù)（如 MIMO、波束成形和高密度天線陣列）有效地提供更高的容量。在這里，RF 收發(fā)器通過提供更寬的頻率范圍為這種無線發(fā)電機(jī)做出了貢獻(xiàn)，為工程師提供了在寬頻率范圍內(nèi)設(shè)計(jì)應(yīng)用的靈活性。

以 Analog Devices Inc. 的ADRV9009射頻收發(fā)器為例。它提供高達(dá) 200 MHz 的信號(hào)帶寬——是上一代收發(fā)器芯片的兩倍——以適應(yīng)新興 5G 無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)天線密度和擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容量的要求基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備。

RF 收發(fā)器可在 75 MHz 至 6 GHz 范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧，以支持 2G、3G、4G 和 5G 無線網(wǎng)絡(luò)，并且適用于所有頻段和功率變體。它是一種基于時(shí)分雙工 （TDD） 技術(shù)的單芯片解決方案，既適用于 5G 等寬帶服務(wù)，也適用于軍事通信和信號(hào)情報(bào)等窄帶應(yīng)用。

同樣，MaxLinear 的四射頻收發(fā)器針對(duì)有源天線系統(tǒng) （AAS） 進(jìn)行了優(yōu)化，以促進(jìn)大規(guī)模 MIMO 應(yīng)用。MxL1500 收發(fā)器針對(duì)低功耗設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，信號(hào)帶寬高達(dá) 200 MHz，而 MxL1600 收發(fā)器提供高達(dá) 400 MHz 的信號(hào)帶寬。

RF 收發(fā)器提供更寬的頻率范圍和更高的瞬時(shí)帶寬的能力與高度集成的無線電解決方案交織在一起，這些解決方案可以吸收更多組件并縮小芯片尺寸。下一節(jié)將介紹射頻收發(fā)器的集成方面。

2. 高度集成的解決方案

在 5G 時(shí)代，我們看到了從包含大量分立元件的特定頻段設(shè)計(jì)向單芯片收發(fā)器解決方案的轉(zhuǎn)變。這些單芯片設(shè)備正在采用創(chuàng)新的射頻架構(gòu)，將集成提升到一個(gè)全新的水平。

首先，這些單芯片收發(fā)器集成了主要的射頻構(gòu)建模塊，例如 I/Q 調(diào)制器、壓控振蕩器 （VCO）、功率放大器 （PA）、低噪聲放大器 （LNA）、可編程增益放大器 （PGA） ，和SPI控制接口。

接下來，MaxLinear 的MxL1500 和 MxL1600等 RF 收發(fā)器能夠?qū)⑺膫€(gè)發(fā)射器、四個(gè)接收器和最多兩個(gè)反饋接收器封裝在一個(gè)設(shè)備中。根據(jù) MaxLinear 的說法，這可以將功耗降低多達(dá) 50%。

德州儀器 （TI） 的雙通道和四通道射頻采樣收發(fā)器還提供了一個(gè)案例研究，說明現(xiàn)代射頻收發(fā)器芯片的集成度如何提高。雙通道AFE7422和四通道AFE7444收發(fā)器允許無線設(shè)計(jì)人員使用單個(gè)芯片支持多達(dá) 8 根天線和 16 個(gè) RF 頻段。

這些收發(fā)器使工程師能夠直接將輸入頻率采樣到 C 波段，而無需額外的頻率轉(zhuǎn)換級(jí)（圖 2）。這反過來又消除了本地振蕩器、混頻器、放大器和濾波器。它還優(yōu)化了收發(fā)器與天線的接近度，從而促進(jìn)了高頻和高密度天線陣列中的數(shù)字波束成形。

圖 2：TI 的四通道 AFE7444 器件繞過額外的頻率轉(zhuǎn)換級(jí)這一事實(shí)導(dǎo)致高通道數(shù)系統(tǒng)的顯著改進(jìn)。

此外，TI 的射頻采樣收發(fā)器在單個(gè)芯片中集成了四個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 和四個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC），從而顯著縮短了設(shè)計(jì)周期。結(jié)果，工程師最終花費(fèi)的時(shí)間比他們?cè)跍y(cè)試分立射頻組件上花費(fèi)的時(shí)間要少得多。

3. 令人難以置信的縮小射頻收發(fā)器

RF 收發(fā)器中集成和小型化的影響越來越大，這帶來了另一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)：消除了分立元件。高度集成的收發(fā)器無需外部 RF 分立，可降低總體成本、縮小尺寸并為電路板放置提供靈活性。

例如，與分立式射頻采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器相比，TI 的射頻采樣收發(fā)器尺寸為 17 毫米 x 17 毫米，聲稱可節(jié)省 75% 的電路板空間。同樣，ADI 的 ADRV9009 RF 收發(fā)器替換了 20 個(gè)組件，將功耗降低了一半，并將封裝尺寸縮小了 60%。

圖 3：ADI 的 ADRV9009 片上系統(tǒng) （SoC） 無線電解決方案通過處理片上本地振蕩器 （LO） 同步簡(jiǎn)化了數(shù)字波束成形設(shè)計(jì)，因此無需外部 LO。

ADRV9009 收發(fā)器芯片（圖 3）集成了輔助功能，包括 ADC、DAC、用于功率放大器的通用輸入/輸出 （GPIO） 和射頻前端控制。它還集成了合成器和數(shù)字信號(hào)處理 （DSP） 功能。

本文中概述的射頻收發(fā)器芯片展示了這些半導(dǎo)體無線電解決方案如何在縮小物理尺寸的同時(shí)顯著擴(kuò)展功能。此外，這些單芯片解決方案還附帶軟件工具、參考設(shè)計(jì)以及評(píng)估和原型設(shè)計(jì)平臺(tái)。

審核編輯：郭婷