无线技术在如今的通信系统中发挥着关键作用,逐渐成为智慧家居、智能机器人、自动驾驶与新型医疗设备等新兴技术的核心。在近日举办的 EDICON 2020 上,ADI 不仅带去了数款最新无线通信系统设计 Demo,并且由 ADI 射频应用经理 Mercy Chen 用精彩的演讲为与会观众讲述了不同带宽通信应用场景与无线电技术的深层次联系。

 

 

 

无线通信技术的发展史与半导体材料工艺新挑战

据 Mercy 介绍,无线通信从 1G 到 5G,走过的历史却并不漫长。世界上第一代无线通信系统诞生于上世纪八十年代,是以“大哥大”手机为典型的以模拟技术为基础的蜂窝无线电话系统,而到第二代的 GSM,带宽增加至 200KHz,第三代的 WCDMA 约为 5MHz,第四代的 LTE 则达到了 20MHz。目前的第五代移动通信技术已经有了 Sub-6GHz 的信道,带宽为 100M,之后的微波 5G 甚至可能会达到 1GHz 左右。不难发现,通信产品一代一代地更替,带宽也越来越宽,对无线通信的数据速率要求越来越高,所有的无线产品带宽支持能力也是需要不断增加的。

 


时至今日的生活中,无线通信应用已经无处不在了,其标准协议也是百花齐放,例如有蜂窝通信的 NB-IoT 标准、Bluetooth 标准、 ZigBee 标准以及 WIFI 标准等等各种各样的通信协议。根据应用场景所需带宽的不同,可以把无线通信应用分为窄带应用、宽带应用以及超宽带(UBW)应用。

 


Mercy 进一步指出,随着无线通信技术的不断发展,从低频到超高频的电路应用越来越广,要求不同的器件特性在半导体材料工艺的选择上也会面临不同的挑战。例如硅是当前半导体产业应用最为成熟的材料,传统上以硅来制作的晶体管多采用 BJT 或 CMOS,由于硅材料没有半绝缘基板,再加上组件本身的增益较低,若要应用在高频段操作的无线通信 IC 制造,则需进一步提升其高频电性,除了要改善材料结构来提高组件性能,还必须藉助沟槽隔离等制程以提高电路间的隔离度与 Q 值,如此一来,其制程将会更为复杂,且不良率与成本也将大幅提高。因此,目前中低频射频模块器件,例如混频器,调制器,解调器等多以具有低噪声、电子移动速度快、且集成度高的 Si BiCMOS 制程为主。而在 SOI 衬底的硅表面下方嵌入了二氧化硅层,相对于体硅器件,这种结构可以极大的降低漏电流和功耗,具有明显的性能优势,则非常适用于射频模块控制器应用。

 

GaAs 因电子迁移率比硅高很多,因此采用特殊的工艺,早期为 MESFET 金属半导体场效应晶体管,后演变为 HEMT,pHEMT,目前则为 HBT。HBT 是无需负电源的砷化镓组件,其功率密度、电流推动能力与线性度均超过 FET,另外它可以单电源操作,因而简化电路设计及次系统实现的难度,十分适合于射频及中频收发模块的研制以及高功率、高效率、高线性度的微波放大器等电路。

 

不难看出,要解决各类无线通信应用的体积、功耗和成本挑战,必须从硬件和系统设计入手。Mercy 表示,对于 ADI 来说,拥有全频谱解决方案的能力,可以做到 0GHz 到 110GHz 频谱范围内的支持,在无线设计领域具有绝对的话语权。完整的产品系列也能支撑客户相关的产品开发,并针对不同带宽的应用场景,ADI 几款最新产品也体现了系统化的微波射频研发经验是如何融入了其独特的创新设计中。

 


完美布局,ADI 无线通信技术解决方案全方位覆盖
高动态范围 RF 收发器完美匹配窄带应用

窄带应用需要使用多个放大器来覆盖不同的频段,意味着外部无源器件会更多,因为需要从不同的电源偏置每个放大器。使用多个窄带放大器意味着需要更多偏置电路和低压差调节器,这就会提高系统成本、器件数量和复杂度,而更高的复杂度意味着可靠性会降低,因而设备寿命可能较短。

 


ADRV9002 是业界首款高性能、高度集成的收发器 IC,工作频率为 30 MHz 至 6 GHz,能够处理 12 kHz 至 40 MHz 的窄带或宽带信号。该接收器设计用于苛刻的高动态范围 (150dBc/Hz) 和线性应用,存在大型阻塞器时,该器件可以解译和吸收有用的 RF 信号。发送器提供最高线性度和输出功率,同时具有最低的本底噪声,以实现最佳发送器信号纯度和范围。“ADRV9002 独特的系统特性以及功耗与性能之间的权衡配置,使其适合功耗敏感的市场领域和应用。”Mercy 表示。

 

用于基站应用的小尺寸、低功耗宽带 RF 收发器

ADI 宽带放大器最早是针对无线通讯基础设施而设计,比如宏基站、小站,之后又衍生到了中继站、IoT 网关,包括小站、微站等。近些年,ADI 的宽带收发器系列不断推陈出新,基本上一年一更迭,陆续推出了 AD9371/9375,ADRV9008/9,ADRV9026,每一代都性能更强,带宽更宽。

 


ADRV9026 是 ADI 第四代宽带 RF 收发器,是一款高度集成的紧凑型低功耗 4T4R 解决方案,尺寸小巧,并且支持 TDD 和 FDD 应用,具有 16Gbps JESD204B/JESD204C 数字接口,适用于蜂窝基站收发信台(BTS)远程无线电装置(RRU),符合大规模多进多出(m-MIMO)、小型蜂窝基站和大型 3G/4G/5G 系统等蜂窝基础设施应用的高性能要求。其支持最高 200MHz 接收带宽,覆盖 650MHz 至 6GHz 的频率,最大观测接收器 / 发射器频率合成带宽为 450MHz,用于所有本振和基带时钟的多芯片相位同步。“与前几代产品相比,ADRV9026 收发器的功耗降低了 50%,能够提高无线电密度以支持更多的天线,并以更低的成本和系统功耗支持开放式无线接入网络(ORAN)的小基站设计。收发器采用 3G/4G/5G 系统通用的平台设计,有助于降低众多应用的成本和复杂性,其灵活的设计还支持模块化架构以实现可扩展的无线电解决方案。”Mercy 在演讲中强调。

 

通话容量和数据吞吐量的再一次升级

超宽带无线通信信号占用极宽的频带,可与其他通信系统共享频谱资源,功率谱也可以做到极低,从而不去干扰其他通信系统,它是短距离无线通信领域研究的热点,例如智能交通、消防、防务通信等,具有巨大研究价值和市场前景。ADI 推出的混合信号前端 (MxFE™) RF 数据转换器平台可满足 5G 测试和测量设备、宽带有线视频流、多天线相控阵雷达系统、低地球轨道卫星网络中其他宽带应用的需求。该平台结合了高性能模拟和数字信号处理功能,允许制造商在与单频段无线电相同的占板面积上安装多频段无线电,使当今 4G LTE 基站的通话容量提高 3 倍。

 


例如 AD9081 和 AD9082 MxFE 器件分别集成了 8 个和 6 个 RF 数据转换器,采用 28 nm CMOS 工艺技术制造,均实现了业界最宽的瞬时信号带宽,由于减少了频率转换级的数量和放宽滤波器要求,从而简化硬件设计。与其他器件相比,这些更高集成高度的器件通过减少芯片数量来解决无线设备设计人员面临的空间限制问题,使得印刷电路板 (PCB) 面积缩小 60%。新型 MxFE 平台还支持无线运营商为其蜂窝塔增加更多天线,以满足新兴 mmWave 5G 的更高无线电密度和数据速率要求。

 

以射频微波技术,携手客户超越一切可能

为实现各种频率带宽下无线通信低功耗、小尺寸和高可靠性的传输,特别是全频谱接入、高频段乃至毫米波传输、高频谱效率 3 大基础性能要求都对器件原材料、制造工艺与性能指标有了更高的要求。ADI 这样少数方案提供商所拥有‘全频谱’能力,在整个射频和微波、毫米波上的布局能够满足不同场景的应用。此外,长期持久的研发经验也将使 ADI 携手合作伙伴,一起在未来在更多领域应用中探索出新的机遇。