新型收发器IC助力简化5G毫米波前端设计

双信道IF收发器IC 集成度和灵活性达到新高度 白皮书：收发器IC助力简化5G毫米波前端设计 2024年 ，Qorvo收 购了Anokiwave。 两 家 公司 各 自 优 势 的 结 合 ，让Qorvo得以提供高度集成的完整解决方案和SiP，满足国防、航天和网络基础设施应用的需求。 Anokiwave创新的有源天线IC产品组合，结合Qorvo在产品互补性、全球影响力和市场占有率方面的优势，为实现高度集成和高性能的有源天线提供了新的选择，有望将相控阵有源天线技术普及开来。 以下白皮书旨在介绍最新的IF收发器IC系列。此系列与波束成形器IC一起，将集成度和灵活性提升到新高度，从而支持开发尺寸更小、成本更低、功率效率更高的5G无线电。鉴于Anokiwave已被收购，白皮书对所有相关引用都进行了更新。 © 06-2024 Qorvo US, Inc.版权所有| QORVO是Qorvo US, Inc.的商标。 全新IF收发器IC与Qorvo第四代波束成形器IC相结合，将集成度和灵活性提升到新高度，为每个3GPP 5G毫米波频段带来更节能环保、成本更低、尺寸更小的5G无线电。 收发器IC助力简化5G毫米波前端设计 大型第五代(5G)蜂窝无线网络将依靠许多小基站来为用户提供毫米波(mmWave)频率的服务。毫米波信号的波长非常短，为了在24 GHz以上的频率发射和接收信号，需要密集地部署许多小基站。幸运的是，只需使用Qorvo的两片集成电路(IC)，即可组装出具有多频段覆盖能力的5G小基站。 这些IC包括一个双信道、发射/接收频率上变频/下变频收发器IC和一个双四路4x2波束成形器IC。它们无缝地结合在一起，在单个有源阵列中实现双极化天线。这些IC有着很高的集成度和元件密度，能够加快并简化5G小基站无线电前端的设计和开发。同时，它们还充分发挥了先进硅基CMOS半导体工艺的优势，实现了出色的功率效率。 随着无线用户转向日益增多的“数据消耗型”活动，服务提供商需要找到办法来提供更快的上传/下载速度，并消除故障或延迟。为此，5G毫米波网络应运而生，它能提供更高的速度和更大的容量，尤其是在人口密集的地区。 随着无线蜂窝网络的应用场景不断增多，网络也不断发展，需要更多的频谱来应对带宽和数据需求的指数级增长。为了支持需求和应用场景的激增，业界需要大量由支持智能阵列的IC平台所驱动的关键毫米波基础设施。 除了高于传统蜂窝频率的新工作频率之外，开发毫米波频率前端的无线电设计人员还面临着在各种传播介质中处理高频信号的诸多挑战。在毫米波频率下，距离越近越好。高度集成的收发器组件有助于将信号损耗尽可能降低，同时使无线电前端解决方案小型化，因此非常适合许多5G小基站。 为了支持无线蜂窝网络需求和应用场景的激增，业界需要大量由 支 持 智 能 阵 列 的IC平 台 （ 例 如Qorvo最新的IC系列）所驱动的关键毫米波基础设施。 5G网络性能的提升得益于采用主动波束控制的新型毫米波天线配置 对于使用毫米波频率范围的网络，解决方案是小基站。小基站必须能够在规定的动态范围内发送和接收24 GHz以上的信号，同时将这些信号的频率转换到较低频率IF，以便由高速RF模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)进行实际转换。与频谱中较低、更拥挤的部分相比，毫米波频率的滤波要求可能非常低，但24 GHz以上的干扰可能以范围内较低频率信号产生的高阶谐波和杂散信号的形式存在，因此5G小基站内的接收器和发射器布局必须考虑发射杂散内容和发射信号泄漏等因素，此类干扰可能会到达毫米波接收器输入端口。 将毫米波发射器和接收器集成到鞋盒大小的设备中，并使其具有 适 当 的 性 能 以 在5G无线网络中可靠运行，并非易事。这要求对商用可部署毫米波天线的开发有深刻的理解。 将毫米波发射器和接收器集成到鞋盒大小的设备中，并使其具有适当的性能以在繁忙的5G无线网络中可靠运行，并非易事。这要求所使用的元器件必须达到军用标准(MIL-STD)的电气、机械和环境要求，并且要求对商用可部署毫米波天线的开发有深刻的理解。 为5G小基站寻找理想部署位置以实现毫米波频率的广泛覆盖，可能与构建小基站一样具有挑战性。这些小基站必须包含多个接收器和发射器以及具有足够增益的定向天线，以保证信号在经建筑物材料和灯柱反射后仍有足够的强度。5G小基站必须紧密排列，为尽可能多的用户提供连续覆盖，但又不能排列得太近，以免形成低效的拓扑。通常，小基站组成的网状网络会考虑容错性：当一个或多个小基站出现故障时，网络能自动形成备用信号路径。 集成解决方案 Anokiwave（现为Qorvo的一部分）最近率先推出了带有全集成式LO合成器的单芯片双信道IF上/下变频器系列，它能实现单芯片多频段解决方案，让网络运营商能够设计出尺寸更小、成本更低、性能更高的5G无线电，覆盖整个3GPP毫米波频率范围。新的AWMF-0224是一款半双工毫米波至IF收发器，覆盖24 GHz至30 GHz的多个5G频段，而相应的AWMF-0196则覆盖更高的37至48.2 GHz 5G频段。这些IC将5G无线电的整个毫米波至IF信号链（包括双通道上/下变频器、驱动放大器、倍增器和LO合成器）集成到单个硅基IC中，而性能不打折扣。 下变频是将RF范围内的毫米波信号与可调谐本振(LO)的信号混频，以创建较低频率IF信号。上变频以相反的方式发生，IF信号与LO信号混频，以产生毫米波频率范围内的RF信号。LO信号可以来自片上压控振荡器(VCO)与片上锁相环(鎖相迴路)频率合成器的组合，或者来自一个馈入鎖相迴路电路的外部LO源。 集成度和灵活性达到新高度 IF收发器AWMF-0224将多达5个IC的功能集成到单个IC中，覆盖24至30 GHz频段，而AWMF-0196则以同样的集成度覆盖37至48.2GHz频段。 变频器/收发器IC具有在发射和接收功能之间快速切换的特性（切换时间典型值为250 ns），这是5G毫米波频段使用的时分双工(TDD)操作所需要的特性。收发器IC为了实现快速切换，需要对其众多集成放大器级实施严格的幅度控制，TDD操作期间的典型增益建立时间为50 ns。较宽的带宽让收发器IC能够在5GNR或802.11 ac/ax/be波形下运行。 为了提供保护和便于操作，IF收发器IC采用倒装芯片级封装(FC-CSP)。这些IC虽然尺寸很小，但包含两个上下变频信道，可以高效转换输入和输出信号，同时损耗很低，动态范围很宽。封装的IC在单个半导体芯片上包含大量元件，其集成的VCO和鎖相迴路频率合成器是电路的核心。设计人员可以绕过内部LO而使用外部LO信号源进行混频，这样在5G网络内配置和互连小基站时就有很大的灵活性。 为了尽量减少操作过程中的受损情况，IF收发器的FC-CSP封装在所有封装引脚上都配备了静电放电(ESD)保护。FC-CSP封装采用热补偿技术以简化IC的散热管理，并提供针对内部和外部热源的热保护。FC-CSP封装采用倒置芯片安装方式，简化（并缩短）了与平面天线布局的连接，有助于5G小基站的小型化。 半双工收发器IC集成了双发射端单边带上变频、双接收端镜像抑制下变频功能和片上合成器，支持在单个芯片中实现2T2R应用。 在毫米波频率很难产生和保存信号能量。通过在整个IC布局中合理布置放大器级，收发器IC对于有效降低毫米波信号损耗和保持高动态范围发挥着积极作用。例如，上变频器/发射信号路径中包含放大器级，集成的驱动放大器能提升发射天线阵列的增益，提高输出功率。如果使用单独的器件来实现这种放大，尺寸和成本都非同小可。在军事电子系统中采用分立器件形式的毫米波放大，可能会妨碍小型化，或导致难以满足尺寸、重量和功耗(SWaP)目标。通过集成多个驱动器和功率放大器级，系统能够克服路径衰落和互连信号损耗（例如天线至板接口处的损耗）。 片上频率倍增器简化了板级集成，可配合内部频率合成器或外部鎖相迴路使用。 收发器IC除包含RF、LO和IF放大级外，还集成了LO。该LO具有多个频率倍增器、一个频率合成器和多个功率检测器，提供监视和控制、频率生成以及整个IC的信号路由功能。例如，RF、LO和IF级的RF功率检测器均经过适当设计和检查，以确保能够在各自的测试点以±1 dB的精度表征0 dBm信号功率。时序可以与单端或差分参考时钟同步。借助数字预失真(DPD)反馈路径，可以有效降低噪声。 多个收发器IC可以通过集成的鎖相迴路合成器，利用相位 同 步 信 号 实 现 同步。由一个IC充当主信号发生器，其频率合成器使能后产生LO信号，以分发给其他收发器IC。 当激活/使能集成LO时，它与集成鎖相迴路频率合成器一起工作，产生稳定的低相位噪声信号。内部LO产生约-5 dBm的典型输出功率，在变频过程中有约12 dB的平均IF增益支持，该增益可以在15 dB的IF增益控制范围内以0.25 dB的步长进行控制。对于5G小基站或网络互连，外部LO可能更有意义。将外部LO源连接到IC时，内部LO即被禁用，外部LO信号馈入IC的LO端口。收发器IC的LO复用功能有效减少了以多输入多输出(MIMO)天线配置运行时对外部开关的需求。 收发器IC配备了来自Digcore的片上LO馈通校准功能，可在单个5G小基站内或5G网络某个部分的上/下变频期间，保持精确的频率、相位和时序。通过片上LO频率倍增，这些IC可以配合各种外部LO源工作，借助Digcore校准流程确保系统正常运行。多个收发器IC可以通过集成的鎖相迴路合成器，利用相位同步信号实现同步。由一个IC充当主信号发生器，其频率合成器使能后产生LO信号，以分发给其他收发器IC。 无线接口 IF收发器系列提供的高度集成且简化的频率转换功能需要无线接口来连接5G无线网络，而Qorvo的波束成形器IC（AMWF-0221或AWMF-0236）能很好地满足这一需求。它们是双极化四路4×2波束成形器IC，可以将往返于收发器的信号引导至多个天线元件，并从这些元件形成波束，满足从基站和小基站发送和接收5G毫米波信号的需求。这些波束成形器IC采用分立天线元件或元件阵列，支持设计和开发紧凑型多元件天线，以安装在鞋盒大小的5G小基站的外部。与IC收发器一样，波束成形器IC也采用坚固耐用的FC-CSP封装。这些封装有许多通用的电气和机械接口，便于在更大的电路或系统内进行互连。 这些波束成形器IC是Qorvo公司的第四代波束成形IC，基于Anokiwave（现为Qorvo的一部分）成熟的四信道、双极化CMOS平台打造，覆盖与IF收发器IC相同的3GPP 5G频段。BFIC包含两个电路，每个电路有四个天线元件控制部分，这些部分通过功率组合网络连接。这些电路旨在对天线元件产生的电磁波束进行严格控制，具有6位相位控制和5位增益控制。 IF收发器IC与波束成形器IC结合使用，让OEM仅使用两类IC就能构建整个5G毫米波无线电前端，同时实现更高的线性功率和效率。 两者的结合促成了更高幅度的尺寸缩减，统一了所有现行5G毫米波频段的设计，并实现了更出色的性能。 Qorvo的Zero-Cal®专利技术免去了对控制电路执行相位或增益校准的需要。波束成形器IC还包含自动温度补偿功能，可校正工作温度对相位和增益的影响。这些IC可与四个双极化或八个单极化天线元件组成电子扫描天线，并且可与IF收发器IC的TDD操作配合以支持半双工发射/接收操作。 结论 收发器和波束成形器IC加在一起只有两个IC，但却为5G小基站的设计和开发提供了强有力的支持，使得小基站在外观上更加隐蔽，但信号强度却丝毫不减。大多数5G用户并不关心网络基础设施，只希望拥有可靠的5G服务。Qorvo持续致力于为5G市场提供系统级解决方案，实现具有优异性能、更小尺寸、更低成本和更简单设计的毫米波无线电，从而加快产品上市速度。 关于Anokiwave 2024年，Qorvo收购了Anokiwave。Anokiwave创新的有源天线IC产品组合，结