高功率硅开关可在大规模MIMO RF前端设计中节省偏置功耗和外部元件

多输入多输出 （MIMO） 收发器架构广泛用于高功率射频无线通信系统的设计。作为迈向5G时代的一步，覆盖蜂窝频段的大规模MIMO系统正在城市地区部署，以满足对高数据吞吐量和新业务的新兴需求。高度集成的单芯片基带收发器解决方案（如ADI公司的新型ADRV9008/ADRV9009系列产品）使这一成就成为可能。为了容纳更多的MIMO通道，这些系统的RF前端部分仍然需要类似的集成，以降低热管理功耗和降低成本。

MIMO 架构 可以 放宽 对 放大器 和 开关 等 构建 块 的 RF 功率 要求。然而，随着并行收发器通道数量的增加，外围电路的复杂性和功耗也会相应增加。ADI公司的新型硅技术高功率开关旨在简化RF前端设计，无需外围电路，并将功耗降低到可以忽略不计的水平。ADI公司的新型硅片高功率开关为RF设计人员和系统架构师提供了提高系统复杂性的灵活性，而不会使RF前端成为其设计的瓶颈。

在时分双工（TDD）系统中，天线接口处集成了开关功能，以隔离和保护接收器输入免受传输信号功率的影响。该开关功能既可以直接用于相对低功耗系统的天线接口，如图1所示，也可以用于接收路径，如图2所示，用于更高功率的应用，以确保正确端接双工器。在开关输出端安装分流臂将有助于改善隔离。

图1.天线开关。

图2.LNA 保护开关。

基于PIN二极管的开关因其低插入损耗特性和高功率处理能力而成为首选解决方案。然而，大规模MIMO系统设计中存在缺点，需要高偏置电压来反转偏置以实现隔离，需要高电流正向偏置以实现低插入损耗。图3显示了基于PIN二极管的开关及其外设的典型应用电路。三个分立PIN二极管通过其偏置三通电路进行偏置，并通过高压接口电路进行控制。

图3.PIN二极管开关。

ADI公司的新型高功率硅开关更适合大规模MIMO设计。它们采用5 V单电源供电，偏置电流小于1 mA，无需外部元件或接口电路。图4显示了内部电路架构。基于FET的电路在低偏置电流和低电源电压下工作，将功耗降低到可以忽略不计的水平，并有助于系统级的热管理。除了易用性外，该器件架构还具有更好的隔离效果，因为RF信号路径上集成了更多的分流臂。

图4.ADRV9008/ADRV9009 硅开关。

图5显示了单层PCB设计中基于PIN二极管的开关和新型硅开关之间印刷电路板（PCB）图稿的并排比较。硅开关可以安装到10×更小的PCB面积中。它简化了电源要求，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公司的高功率硅开关可以处理高达80 W的RF峰值功率，这足以满足大规模MIMO系统的峰均功率比要求。表1显示了ADI公司的高功率硅开关系列，这些开关针对不同的功率水平和各种封装选项进行了优化。这些器件继承了硅技术的内在优势，与替代解决方案相比，具有更好的ESD鲁棒性和器件间差异。

部件号	频率	插入损耗	隔离	PAVRG	P峰	包
ADRF5130	0.7 GHz to 3.5 GHz	0.6 dB, 2.7 GHz 0.7 dB, 3.8 GHz	45 dB, 3.8 GHz	20 W	44 W	4 mm × 4 mm
ADRF5132	0.7 GHz to 5.0 GHz	0.60 dB, 2.7 GHz 0.65 dB, 3.8 GHz 0.90 dB, 5.0 GHz	45 dB, 3.8 GHz 45 dB, 5.0 GHz	3.2 W	20 W, 3.8 GHz 10 W, 5.0 GHz	3 mm × 3 mm
ADRF5160	0.7 GHz to 4.0 GHz	0.8 dB, 2.7 GHz 0.9 dB, 3.8 GHz	48 dB, 3.8 GHz	40 W	88 W	5 mm × 5 mm

大规模MIMO系统将继续发展，并且需要进一步的更高集成度。ADI公司的新型高功率硅开关技术非常适合与LNA集成的多芯片模块（MCM）设计，为TDD接收器前端提供完整的单芯片解决方案。ADI还将向更高频率扩展新设计，并将为毫米波5G系统提供类似的解决方案。电路设计人员和系统架构师也将受益于ADI新型硅开关在其他应用中的优势，例如相控阵系统，因为ADI公司通过向X波段频率和更高常用频段扩展其产品组合，将高功率硅开关扩展到X波段频率和更高的常用频段。

审核编辑：郭婷