射頻 （RF） 收發器是無線設計的內在組成部分，正在 5G 領域進行徹底改造。這主要是因為大規模 MIMO、波束成形和多頻段通信等新技術對更高容量的需求導致了高度集成的無線電解決方案的創建。

然而，在單個設備中促進接收和發送路徑的射頻收發器必須在實際尺寸、重量、功耗和成本限制范圍內提高集成度。這導致了射頻架構的快速轉變。

以下是 5G 時代射頻收發器演進的主要亮點。首先是射頻收發器如何轉向更寬的帶寬和更高的速度。

1. 更寬的信號帶寬

5G 的出現是為了通過新的無線電技術（如 MIMO、波束成形和高密度天線陣列）有效地提供更高的容量。在這里，RF 收發器通過提供更寬的頻率范圍為這種無線發電機做出了貢獻，為工程師提供了在寬頻率范圍內設計應用的靈活性。

以 Analog Devices Inc. 的ADRV9009射頻收發器為例。它提供高達 200 MHz 的信號帶寬——是上一代收發器芯片的兩倍——以適應新興 5G 無線網絡對天線密度和擴展網絡容量的要求基礎設施設備。

RF 收發器可在 75 MHz 至 6 GHz 范圍內進行調諧，以支持 2G、3G、4G 和 5G 無線網絡，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，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 的四射頻收發器針對有源天線系統 （AAS） 進行了優化，以促進大規模 MIMO 應用。MxL1500 收發器針對低功耗設計進行了優化，信號帶寬高達 200 MHz，而 MxL1600 收發器提供高達 400 MHz 的信號帶寬。

RF 收發器提供更寬的頻率范圍和更高的瞬時帶寬的能力與高度集成的無線電解決方案交織在一起，這些解決方案可以吸收更多組件并縮小芯片尺寸。下一節將介紹射頻收發器的集成方面。

2. 高度集成的解決方案

在 5G 時代，我們看到了從包含大量分立元件的特定頻段設計向單芯片收發器解決方案的轉變。這些單芯片設備正在采用創新的射頻架構，將集成提升到一個全新的水平。

首先，這些單芯片收發器集成了主要的射頻構建模塊，例如 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 收發器能夠將四個發射器、四個接收器和最多兩個反饋接收器封裝在一個設備中。根據 MaxLinear 的說法，這可以將功耗降低多達 50%。

德州儀器 （TI） 的雙通道和四通道射頻采樣收發器還提供了一個案例研究，說明現代射頻收發器芯片的集成度如何提高。雙通道AFE7422和四通道AFE7444收發器允許無線設計人員使用單個芯片支持多達 8 根天線和 16 個 RF 頻段。

這些收發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。它還優化了收發器與天線的接近度，從而促進了高頻和高密度天線陣列中的數字波束成形。

圖 2：TI 的四通道 AFE7444 器件繞過額外的頻率轉換級這一事實導致高通道數系統的顯著改進。

此外，TI 的射頻采樣收發器在單個芯片中集成了四個模數轉換器 （ADC） 和四個數模轉換器 （DAC），從而顯著縮短了設計周期。結果，工程師最終花費的時間比他們在測試分立射頻組件上花費的時間要少得多。

3. 令人難以置信的縮小射頻收發器

RF 收發器中集成和小型化的影響越來越大，這帶來了另一個關鍵的設計優勢：消除了分立元件。高度集成的收發器無需外部 RF 分立，可降低總體成本、縮小尺寸并為電路板放置提供靈活性。

例如，與分立式射頻采樣數據轉換器相比，TI 的射頻采樣收發器尺寸為 17 毫米 x 17 毫米，聲稱可節省 75% 的電路板空間。同樣，ADI 的 ADRV9009 RF 收發器替換了 20 個組件，將功耗降低了一半，并將封裝尺寸縮小了 60%。

圖 3：ADI 的 ADRV9009 片上系統 （SoC） 無線電解決方案通過處理片上本地振蕩器 （LO） 同步簡化了數字波束成形設計，因此無需外部 LO。

ADRV9009 收發器芯片（圖 3）集成了輔助功能，包括 ADC、DAC、用于功率放大器的通用輸入/輸出 （GPIO） 和射頻前端控制。它還集成了合成器和數字信號處理 （DSP） 功能。

本文中概述的射頻收發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顯著擴展功能。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設計平臺。

審核編輯：郭婷