重塑5G时代射频收发器的三个因素

我们将讨论5G时代射频收发器演进的主要亮点。首先是射频收发器如何向更宽的带宽和更高的速度发展。

射频（RF）收发器是无线设计的固有部分，正在5G领域进行彻底的改造。这主要是因为大规模MIMO、波束成形和多频段通信等新技术对更高容量的需求正在导致创建高度集成的无线电解决方案。

然而，RF收发器有助于在单个器件中接收和发送路径，必须在实际尺寸、重量、功耗和成本限制范围内提高集成标准。这导致了射频架构的快速转变。

以下是 5G 时代射频收发器发展的主要亮点。首先是射频收发器如何向更宽的带宽和更高的速度发展。

1. 更宽带宽的信号

5G 的出现就是通过 MIMO、波束成形和高密度天线阵列等新的无线电进步高效提供更高容量。在这里，RF收发器通过提供更宽的频率范围为这种无线发电机做出了贡献，使工程师能够灵活地在宽频带上设计应用。

以ADI公司的ADRV9009RF收发器为例。它提供高达 200 MHz 的信号带宽（是上一代收发器芯片的两倍），以适应新兴 5G 无线基础设施设备的严格天线密度和扩展的网络容量要求。

RF收发器可在75 MHz至6 GHz范围内可调谐，以支持2G、3G、4G和5G无线网络，并且适用于所有频段和功率变体。它是一种基于时分双工（TDD）技术的单芯片解决方案，它既适用于5G等宽带服务，也适用于军事通信和信号情报等窄带应用。

同样，MaxLinear的四RF收发器针对有源天线系统（AAS）进行了优化，以促进大规模MIMO应用。MxL1500 收发器针对低功耗设计进行了优化，可提供高达 200 MHz 的信号带宽，而 MxL1600 收发器可提供高达 400 MHz 的信号带宽。

RF收发器能够提供更宽的频率范围和更高的瞬时带宽，这与高度集成的无线电解决方案交织在一起，可以吸收更多组件并缩小芯片尺寸。下一节将介绍RF收发器的集成方面。

2. 高度集成的解决方案

在5G时代，我们看到从包含大量分立元件的频段特定设计向单芯片收发器解决方案的过渡。这些单芯片器件采用创新的射频架构，将集成度提升到一个全新的水平。

首先，这些单芯片收发器集成了主要的RF构建模块，如I/Q调制器、压控振荡器（VCO）、功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）、可编程增益放大器（PGA）和SPI控制接口。

接下来，MaxLinear的MxL1500和MxL1600等RF收发器能够在单个设备中集成四个发射器，四个接收器和最多两个反馈接收器。根据MaxLinear的说法，这将功耗降低了50%。

德州仪器（TI）的双通道和四通道RF采样收发器还提供了有关现代RF收发器芯片集成如何发展的案例研究。双通道 AFE7422 和四通道AFE7444收发器允许无线设计人员使用单个芯片支持多达 8 个天线和 16 个射频频段。

这些收发器使工程师能够直接将输入频率采样到 C 波段，而无需额外的频率转换级（图 2）。这反过来又消除了本地振荡器、混频器、放大器和滤波器。它还优化了收发器与天线的距离，从而促进了高频和高密度天线阵列中的数字波束成形。

图 2：TI 的四通道 AFE7444 器件绕过了额外的频率转换级，从而显著改善了高通道数系统。

此外，TI 的射频采样收发器在单个芯片中集成了四个模数转换器 （ADC） 和四个数模转换器 （DAC），从而显著缩短了设计周期。因此，工程师最终花费在测试分立RF元件上的时间要少得多。

3. 令人难以置信的缩小 RF 收发器

RF收发器集成和小型化的影响越来越大，带来了另一个关键的设计优势：消除分立元件。高度集成的收发器无需外部RF分立器件，可降低总体成本，缩小占板面积，并为电路板布局提供灵活性。

例如，TI 的 RF 采样收发器尺寸为 17 mm x 17 mm，据称与分立式 RF 采样数据转换器相比，可节省 75% 的电路板空间。同样，ADI公司的ADRV9009 RF收发器取代了20个元件，将功耗降低了一半，封装尺寸缩小了60%。

图 3：ADI 的 ADRV9009 片上系统 （SoC） 无线电解决方案通过片内处理本振 （LO） 同步来简化数字波束成形设计，从而消除了增设外部 LO 的需要。

ADRV9009收发器芯片（图3）集成了辅助功能，包括ADC、DAC、功率放大器的通用输入/输出（GPIO）和RF前端控制。它还集成了频率合成器和数字信号处理（DSP）功能。

本文概述的RF收发器芯片展示了这些半导体无线电解决方案如何在缩小物理尺寸的同时，在功能方面显著扩展。此外，这些单芯片解决方案还附带软件工具、参考设计以及评估和原型制作平台。

换句话说，它们是完整的无线电解决方案。

审核编辑：郭婷