Микросхемы ADI для создания компактных радиостанций 5G с системами MIMO

Задача создания рабочих систем 5G заключается в том, что разработчики должны значительно увеличить количество одновременных приемопередающих каналов, работающих в нескольких диапазонах, и в то же время уместить все необходимое аппаратное обеспечение в форм-факторе, равном или меньшем, чем у оборудования предыдущего поколения.

При этом нужно учитывать следующее:

• Чем больше каналов, тем выше концентрированная высокочастотная мощность внутри и вокруг базовой станции, в связи с чем задача обеспечения изоляции между каналами для устранения взаимных помех усложняется.
• Интерфейсные компоненты приемника должны иметь более широкий динамический диапазон, чтобы надежно работать в присутствии мощных сигналов.
• Размер решения имеет значение.
• Управление тепловым режимом должно адекватно функционировать с увеличением мощности электроники и передатчиков.

При таком стремлении к более высоким скоростям передачи данных для поддержки работы различных беспроводных сервисов и различных схем передачи разработчики систем сталкиваются с более высокой сложностью схем, при этом новое решение должно иметь меньшие размеры, энергопотребление и стоимость. Организация большего количества приемопередающих каналов в башне базовой станции обеспечивает более высокую пропускную способность, но использование каждого канала с более высоким уровнем высокочастотной мощности должно тщательно учитываться для сохранения сложности системы и ее стоимости на приемлемом уровне. При проектировании оборудования более высокой мощности у разработчиков аппаратного обеспечения имеется не так много альтернатив в вопросе создания высокочастотного интерфейса, поэтому они полагаются на устаревшие решения, которые требуют более высокой мощности для смещения и сложных периферийных схем, что затрудняет процесс разработки.

Недавно компания Analog Devices представила интегрированный ключ высокой мощности с малошумящим усилителем (МШУ), реализованные в виде многокристальных модулей для дуплексных систем с временным разделением. Устройства ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549 этого семейства охватывают частоты сотовой связи 1,8–5,3 ГГц и оптимальны для реализации антенных интерфейсов систем M-MIMO. Устройства этого нового семейства, в состав которых входит кремниевый высокомощный ключ и созданный по арсенид-галлиевому (GaAs) технологическому процессу высоко­качественный МШУ, могут действовать с высокой ВЧ-мощностью и характеризуются высокой степенью интеграции без каких-либо ухудшений характеристик. Это означает, что в данных устройствах объединено все лучшее из обеих областей.

Двухканальная архитектура

Блок-схема ВЧ-интерфейса M-MIMO с использованием ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549 представлена на рис. 1. Данное устройство имеет каналы с ключом высокой мощности, за которым следует двухкаскадный МШУ. Во время работы приемопередатчика в режиме приема ключ направляет входной сигнал на вход МШУ. В режиме передачи вход подключается к оконечному сопротивлению 50 Ом, чтобы обеспечить надлежащее согласование с интерфейсом антенны и изолировать МШУ от любой отраженной от антенны мощности. Интегрированная двухканальная архитектура позволяет специалистам легко масштабировать свою систему MIMO, что предоставляет возможность выйти за пределы устаревшего оборудования, максимальная конфигурация которого была 8×8 (8 передатчиков × 8 приемников), то есть теперь возможны конфигурации 16×16, 32×32, 64×64 и выше.

Рис. 1. Блок-схема ВЧ-интерфейса M-MIMO

Широкая рабочая полоса частот

Усиление каждого устройства семейства ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549 и их соответствующее частотное покрытие показаны на рис. 2. Эти компоненты оптимизированы для работы с часто используемыми полосами сотовой связи и согласованы с другими откалиброванными компонентами, применяемыми в подобных архитектурах, такими как усилители мощности и фильтры.

Рис. 2. Усиление ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549

Защитный ключ высокой мощности

В составе устройства имеется кремниевый ключ высокой мощности, которому для генерации смещения не требуется никаких внешних компонентов. Ключ работает от одного источника питания 5 В, потребляет ток всего 10 мА и может напрямую подключаться к стандартным цифровым микроконтроллерам без необходимости применения каких-либо источников отрицательного напряжения или компонентов смещения уровней. По сравнению с реализацией, предусматривающей наличие ключей на основе PIN-диодов, кремниевый ключ позволяет сэкономить около 80% мощности смещения и 90% площади печатной платы.

Этот ключ может пропускать ВЧ-сигнал мощностью 10 Вт с отношением пикового значения сигнала к среднему значению 9 дБ при непрерывной работе и выдержать сигнал с мощностью вдвое больше номинальной при нештатных ситуациях. ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549 представляют собой первые на рынке продукты данного класса с мощностью 10 Вт, что делает их оптимальными для применения в системах M-MIMO большой мощности. Если каждый антенный элемент способен излучать большее количество мощности, то число каналов передачи можно уменьшить при сохранении того же уровня излучаемой базовой станцией мощности. Архитектура ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549 представлена на рис. 3, где показано, что ключи высокой мощности для обоих каналов питаются и управляются с помощью одних и тех же выводов устройства. МШУ имеют свои отдельные линии питания и управления.

Рис. 3. Архитектура ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549

Низкий коэффициент шума

Двухкаскадный МШУ создан по арсенид-галлиевой технологии, питается от одного источника питания 5 В и не требует внешних дросселей смещения. Усиление имеет плоскую характеристику по частоте и устанавливается на 32 и 16 дБ в режимах с высоким и низким усилением соответственно. Устройство также имеет режим пониженного энергопотребления, при котором МШУ могут быть отключены во время передачи, что позволяет экономить мощность смещения. Коэффициент шума устройства составляет 1,45 дБ с учетом вносимых потерь ключа, благодаря чему оно может успешно применяться как в высокомощных, так и в маломощных системах M-MIMO. На рис. 4 приведены графики коэффициента шума ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549 для конкретных частотных диапазонов.

Рис. 4. Коэффициент шума ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549

Компактный размер, минимальный набор внешних компонентов

Помимо развязывающих конденсаторов на линиях питания и блокировочных конденсаторов на линиях ВЧ-сигнала, для настройки или согласования данных устройств не требуются больше никакие компоненты. Вход и выходы ВЧ-сигнала имеют согласование 50 Ом. МШУ имеет дроссели согласования и смещения, встроенные в корпус устройства. Это позволяет сократить перечень необходимых, особенно дорогих компонентов, таких как дроссели, и упрощает разработку аппаратного обеспечения, которое должно характеризоваться наименьшими межканальными перекрестными помехами между соседними приемопередатчиками. Устройство имеет корпус для поверхностного монтажа размером 6×6 мм с выдерживающей большие температуры нижней площадкой. Диапазон рабочих температур устройства составляет –40…+105 °C. Все три компонента выполнены в одинаковом корпусе и полностью совместимы по выводам, а значит, полностью взаимозаменяемы. На рис. 5 показано такое устройство, смонтированное на оценочной плате. Оценочные платы можно приобрести непосредственно в ADI или через дистрибьюторов компании.

Рис. 5. Оценочная плата ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549

Недавно компания Analog Devices представила следующее поколение данных устройств, которое характеризуется более высокой мощностью переключателя и более низким коэффициентом шума. На данный момент на сайте компании представлена микросхема ADRF5515 с частотным диапазоном 3,4–3,8 ГГц.