我們將討論5G時代射頻收發(fā)器演進的主要亮點。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)器是無線設計的固有部分，正在5G領域進行徹底的改造。這主要是因為大規(guī)模MIMO、波束成形和多頻段通信等新技術對更高容量的需求正在導致創(chuàng)建高度集成的無線電解決方案。

然而，RF收發(fā)器有助于在單個器件中接收和發(fā)送路徑，必須在實際尺寸、重量、功耗和成本限制范圍內(nèi)提高集成標準。這導致了射頻架構的快速轉變。

以下是 5G 時代射頻收發(fā)器發(fā)展的主要亮點。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

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)電機做出了貢獻，使工程師能夠靈活地在寬頻帶上設計應用。

以ADI公司的ADRV9009RF收發(fā)器為例。它提供高達 200 MHz 的信號帶寬（是上一代收發(fā)器芯片的兩倍），以適應新興 5G 無線基礎設施設備的嚴格天線密度和擴展的網(wǎng)絡容量要求。

RF收發(fā)器可在75 MHz至6 GHz范圍內(nèi)可調諧，以支持2G、3G、4G和5G無線網(wǎng)絡，并且適用于所有頻段和功率變體。它是一種基于時分雙工（TDD）技術的單芯片解決方案，它既適用于5G等寬帶服務，也適用于軍事通信和信號情報等窄帶應用。

同樣，MaxLinear的四RF收發(fā)器針對有源天線系統(tǒng)（AAS）進行了優(yōu)化，以促進大規(guī)模MIMO應用。MxL1500 收發(fā)器針對低功耗設計進行了優(yōu)化，可提供高達 200 MHz 的信號帶寬，而 MxL1600 收發(fā)器可提供高達 400 MHz 的信號帶寬。

RF收發(fā)器能夠提供更寬的頻率范圍和更高的瞬時帶寬，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時代，我們看到從包含大量分立元件的頻段特定設計向單芯片收發(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，將集成度提升到一個全新的水平。

首先，這些單芯片收發(fā)器集成了主要的RF構建模塊，如I/Q調制器、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)器能夠在單個設備中集成四個發(fā)射器，四個接收器和最多兩個反饋接收器。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)器允許無線設計人員使用單個芯片支持多達 8 個天線和 16 個射頻頻段。

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換級（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換級，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)器在單個芯片中集成了四個模數(shù)轉換器 （ADC） 和四個數(shù)模轉換器 （DAC），從而顯著縮短了設計周期。因此，工程師最終花費在測試分立RF元件上的時間要少得多。

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，帶來了另一個關鍵的設計優(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)字波束成形設計，從而消除了增設外部 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)字信號處理（DSP）功能。

本文概述的RF收發(fā)器芯片展示了這些半導體無線電解決方案如何在縮小物理尺寸的同時，在功能方面顯著擴展。此外，這些單芯片解決方案還附帶軟件工具、參考設計以及評估和原型制作平臺。

換句話說，它們是完整的無線電解決方案。

審核編輯：郭婷