5G大规模MIMO部署热潮下，一个节省RF前端偏置功率和外部组件的方法

随着韩国和美国差不多同时率先正式宣布商用，以及中国政府提前发布5G商用牌照，5G在今年全球范围广泛落地已经成为定论。5G时代的一项重要支撑技术——大规模多输入、多输出(MIMO) 收发器架构，也正在被广泛用于5G无线通信系统的设计中。

MIMO技术是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。每一项技术的实现都要靠一定的硬件来支撑，而支撑大规模MIMO实现的硬件就是在基站侧配置更大规模的天线阵列，所以大规模MIMO也经常被称为大规模天线。MIMO技术早在4G时代就已经被广泛应用，而区别于4G MIMO的最多8天线通道，在5G中实现16/32/64通道。

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(并改善热管理)和缩减尺寸(同时降低成本)，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，如下图左所示)，或在接收路径中使用(针对较高功率应用，如下图右所示)，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。

天线开关（左）及双工器LNA保护

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 系统的设计中固有的局限性限制了其应用：它们需要高偏置电压以施加反向偏置用于提供隔离，以及高电流以施加正向偏置从而实现低插入损耗。此外，还需要负电压并采用高电流供电，偏置电流消耗非常高。下图给出了一款用于基于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。

PIN 二极管开关的典型电路原理图

ADI公司采用硅技术推出的ADRF5130、ADRF5132和ADRF5160最新高功率硅新款高功率硅开关更适合大规模MIMO设计。它们依靠单5 V 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。下图中给出了内部电路架构。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。

ADRV9008/ADRV9009 硅开关。

下图并排对比了单层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。

基于PIN 二极管的开关设计与硅开关（ADRF5130）的并排比较。

ADI公司最新高功率硅开关能够处理高达80 W 的RF 峰值功率，这足以满足大规模MIMO 系统的峰值平均功率比要求并留有足够的裕量，可以直接用于天线接口或可以用作一种保护器件。这些器件继承了硅技术的固有优势，非常适合于天线接口等应用，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。

采用单电源供电、无须使用外部元件的ADI高功率硅开关系列

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。几乎可以忽略不计的低功耗有利于低功耗系统设计，由于不需要任何外部元件所以非常适合于多通道高度集成的收发器应用。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。