隨著韓國(guó)和美國(guó)差不多同時(shí)率先正式宣布商用，以及中國(guó)政府提前發(fā)布5G商用牌照，5G在今年全球范圍廣泛落地已經(jīng)成為定論。5G時(shí)代的一項(xiàng)重要支撐技術(shù)——大規(guī)模多輸入、多輸出(MIMO) 收發(fā)器架構(gòu)，也正在被廣泛用于5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。

MIMO技術(shù)是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)，使信號(hào)通過(guò)發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線(xiàn)傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。每一項(xiàng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)都要靠一定的硬件來(lái)支撐，而支撐大規(guī)模MIMO實(shí)現(xiàn)的硬件就是在基站側(cè)配置更大規(guī)模的天線(xiàn)陣列，所以大規(guī)模MIMO也經(jīng)常被稱(chēng)為大規(guī)模天線(xiàn)。MIMO技術(shù)早在4G時(shí)代就已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，而區(qū)別于4G MIMO的最多8天線(xiàn)通道，在5G中實(shí)現(xiàn)16/32/64通道。

作為邁入5G 時(shí)代的一步，覆蓋蜂窩頻段的大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)目前正在城市地區(qū)進(jìn)行部署，以滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)于高數(shù)據(jù)吞吐量和一系列新型業(yè)務(wù)的新興需求。高度集成的單芯片射頻收發(fā)器解決方案的面市促成了此項(xiàng)成就。在此類(lèi)系統(tǒng)的RF 前端部分仍然需要實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的集成，意在降低功耗(并改善熱管理)和縮減尺寸(同時(shí)降低成本)，從而容納更多的MIMO 通道。

MIMO 架構(gòu)允許放寬對(duì)放大器和開(kāi)關(guān)等構(gòu)建模塊的RF 功率要求。然而，隨著并行收發(fā)器通道數(shù)目的增加，外圍電路的復(fù)雜性和功耗也相應(yīng)升高。ADI 采用硅技術(shù)的新型高功率開(kāi)關(guān)專(zhuān)為簡(jiǎn)化RF 前端設(shè)計(jì)而研發(fā)，免除外圍電路的需要并將功耗降至可忽略不計(jì)的水平。ADI 采用硅技術(shù)的新型高功率開(kāi)關(guān)為RF 設(shè)計(jì)人員和系統(tǒng)架構(gòu)師提供了提高其系統(tǒng)復(fù)雜度的靈活性，且不會(huì)讓RF 前端成為其設(shè)計(jì)瓶頸。

在時(shí)分雙工(TDD) 系統(tǒng)中，天線(xiàn)接口納入了開(kāi)關(guān)功能，以隔離和保護(hù)接收器輸入免受發(fā)送信號(hào)功率的影響。該開(kāi)關(guān)功能可直接在天線(xiàn)接口上使用(在功率相對(duì)較低的系統(tǒng)中，如下圖左所示)，或在接收路徑中使用(針對(duì)較高功率應(yīng)用，如下圖右所示)，以保證正確接至雙工器。在開(kāi)關(guān)輸出上設(shè)有一個(gè)并聯(lián)支路將有助改善隔離性能。

天線(xiàn)開(kāi)關(guān)（左）及雙工器LNA保護(hù)

基于PIN 二極管的開(kāi)關(guān)具備低插入損耗特性和高功率處理能力，一直是首選解決方案。然而在大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中固有的局限性限制了其應(yīng)用：它們需要高偏置電壓以施加反向偏置用于提供隔離，以及高電流以施加正向偏置從而實(shí)現(xiàn)低插入損耗。此外，還需要負(fù)電壓并采用高電流供電，偏置電流消耗非常高。下圖給出了一款用于基于PIN二極管的開(kāi)關(guān)及其外設(shè)的典型應(yīng)用電路。三個(gè)分立的PIN 二極管通過(guò)其偏置電源電路施加偏置，并通過(guò)一個(gè)高電壓接口電路進(jìn)行控制。

PIN 二極管開(kāi)關(guān)的典型電路原理圖

ADI公司采用硅技術(shù)推出的ADRF5130、ADRF5132和ADRF5160最新高功率硅新款高功率硅開(kāi)關(guān)更適合大規(guī)模MIMO設(shè)計(jì)。它們依靠單5 V 電源供電運(yùn)行，偏置電流小于1 mA，并且不需要外部組件或接口電路。下圖中給出了內(nèi)部電路架構(gòu)。基于FET 的電路可采用低偏置電流和低電源電壓工作，因而將功耗拉低至可忽略的水平，并可在系統(tǒng)級(jí)上幫助熱管理。除了易用性之外，該器件架構(gòu)還可提供更好的隔離性能，因?yàn)樵赗F 信號(hào)路徑上納入了更多的并聯(lián)支路。

ADRV9008/ADRV9009 硅開(kāi)關(guān)。

下圖并排對(duì)比了單層PCB 設(shè)計(jì)上基于PIN 二極管的開(kāi)關(guān)和新型硅開(kāi)關(guān)的印刷電路板(PCB) 原圖。與基于PIN 二極管的開(kāi)關(guān)相比，硅開(kāi)關(guān)所占用的PCB 面積不到其1/10。它簡(jiǎn)化了電源要求，且不需要高功率電阻器。

基于PIN 二極管的開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)與硅開(kāi)關(guān)（ADRF5130）的并排比較。

ADI公司最新高功率硅開(kāi)關(guān)能夠處理高達(dá)80 W 的RF 峰值功率，這足以滿(mǎn)足大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)的峰值平均功率比要求并留有足夠的裕量，可以直接用于天線(xiàn)接口或可以用作一種保護(hù)器件。這些器件繼承了硅技術(shù)的固有優(yōu)勢(shì)，非常適合于天線(xiàn)接口等應(yīng)用，而且與替代方案相比，可實(shí)現(xiàn)更好的ESD 堅(jiān)固性和降低部件與部件間的差異。

采用單電源供電、無(wú)須使用外部元件的ADI高功率硅開(kāi)關(guān)系列

大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)將繼續(xù)發(fā)展，并將需要進(jìn)一步提高集成度。ADI 的新型高功率硅開(kāi)關(guān)技術(shù)很適合多芯片模塊(MCM) 設(shè)計(jì)，將LNA 一起集成，以提供面向TDD 接收器前端的完整、單芯片解決方案。幾乎可以忽略不計(jì)的低功耗有利于低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由于不需要任何外部元件所以非常適合于多通道高度集成的收發(fā)器應(yīng)用。另外，ADI 還將調(diào)高新設(shè)計(jì)的頻率，并將引領(lǐng)針對(duì)毫米波5G 系統(tǒng)的相似解決方案。隨著ADI 將其高功率硅開(kāi)關(guān)產(chǎn)品系列擴(kuò)展到了X 波段頻率和更高的常用頻段，電路設(shè)計(jì)人員和系統(tǒng)架構(gòu)師還將在其他應(yīng)用(例如相控陣系統(tǒng)) 中受益于ADI 新型硅開(kāi)關(guān)。