我們將討論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)器如何向更寬的帶寬和更高的速度發(fā)展。

射頻（RF）收發(fā)器是無線設(shè)計(jì)的固有部分，正在5G領(lǐng)域進(jìn)行徹底的改造。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)更高容量的需求正在導(dǎo)致創(chuàng)建高度集成的無線電解決方案。

然而，RF收發(fā)器有助于在單個(gè)器件中接收和發(fā)送路徑，必須在實(shí)際尺寸、重量、功耗和成本限制范圍內(nèi)提高集成標(biāo)準(zhǔn)。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)器發(fā)展的主要亮點(diǎn)。首先是射頻收發(fā)器如何向更寬的帶寬和更高的速度發(fā)展。

1. 更寬帶寬的信號(hào)

5G 的出現(xiàn)就是通過 MIMO、波束成形和高密度天線陣列等新的無線電進(jìn)步高效提供更高容量。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)，使工程師能夠靈活地在寬頻帶上設(shè)計(jì)應(yīng)用。

以ADI公司的ADRV9009RF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 無線基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的嚴(yán)格天線密度和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)容量要求。

RF收發(fā)器可在75 MHz至6 GHz范圍內(nèi)可調(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，它既適用于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RF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，可提供高達(dá) 200 MHz 的信號(hào)帶寬，而 MxL1600 收發(fā)器可提供高達(dá) 400 MHz 的信號(hào)帶寬。

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

2. 高度集成的解決方案

在5G時(shí)代，我們看到從包含大量分立元件的頻段特定設(shè)計(jì)向單芯片收發(fā)器解決方案的過渡。這些單芯片器件采用創(chuàng)新的射頻架構(gòu)，將集成度提升到一個(gè)全新的水平。

首先，這些單芯片收發(fā)器集成了主要的RF構(gòu)建模塊，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)器能夠在單個(gè)設(shè)備中集成四個(gè)發(fā)射器，四個(gè)接收器和最多兩個(gè)反饋接收器。根據(jù)MaxLinear的說法，這將功耗降低了50%。

德州儀器（TI）的雙通道和四通道RF采樣收發(fā)器還提供了有關(guān)現(xiàn)代RF收發(fā)器芯片集成如何發(fā)展的案例研究。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 個(gè)天線和 16 個(gè)射頻頻段。

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)器與天線的距離，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 器件繞過了額外的頻率轉(zhuǎn)換級(jí)，從而顯著改善了高通道數(shù)系統(tǒng)。

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。因此，工程師最終花費(fèi)在測試分立RF元件上的時(shí)間要少得多。

3. 令人難以置信的縮小 RF 收發(fā)器

RF收發(fā)器集成和小型化的影響越來越大，帶來了另一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)優(yōu)勢：消除分立元件。高度集成的收發(fā)器無需外部RF分立器件，可降低總體成本，縮小占板面積，并為電路板布局提供靈活性。

例如，TI 的 RF 采樣收發(fā)器尺寸為 17 mm x 17 mm，據(jù)稱與分立式 RF 采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器相比，可節(jié)省 75% 的電路板空間。同樣，ADI公司的ADRV9009 RF收發(fā)器取代了20個(gè)元件，將功耗降低了一半，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片內(nèi)處理本振 （LO） 同步來簡化數(shù)字波束成形設(shè)計(jì)，從而消除了增設(shè)外部 LO 的需要。

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

本文概述的RF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)，在功能方面顯著擴(kuò)展。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)估和原型制作平臺(tái)。

換句話說，它們是完整的無線電解決方案。

審核編輯：郭婷