מכשירי רדיו מרובי-קלט, מרובי-פלט (M-MIMO) היו בשיא הפופולריות שלהם בשלב המאוחר של פריסת תחנות בסיס סלולריות 4G LTE, בייחוד באיזורים עירוניים צפופים, היכן שטלפונים ניידים קטנים מילאו ביעילות את הצורך בכיסוי סלולרי תוך הגברת שירותי מהירות נתונים גבוהים יותר.
הצלחתה של ארכיטקטורה זו הוכיחה ללא ספק את ערכה. זו אמורה להיות ארכיטקטורת הבחירה עבור מכשירי רשת 5G מתפתחים, שכן מאפייני חיוניות של יעילות ספקטרלית ואמינות תמסורת הינם טבועים בארכיטקטורה זו.
האתגר להפיכת 5G למציאות הוא שעל מעצבים להגדיל באופן משמעותי את מספר ערוצי המשדר-מקלט הפועלים בו זמנית בפסים מרובים, תוך סחיטת כל החומרה הנדרשת לגורם צורה שהוא גדול או קטן יותר מאשר בציוד של הדור הקודם.
ההשלכות הכרוכות בכך הן:
- יותר ערוצים משמע כוח RF מרוכז גבוה יותר בתחנת הבסיס ובסביבתה, ולכן בעיית הבידוד בין ערוצים ללא הפרעה הדדית מחריפה.
- רכיבי חזית המקלט חייבים לשפר את ביצועי הטווח הדינמי כדי להישאר איתנים בנוכחות אותות הספק גבוהים.
- גודלו של הפיתרון חשוב.
- בניהול תרמי יש לטפל באמצעות כוח משדרים ואלקטרוניקה.
במסע זה אחר שיעורי נתונים גבוהים יותר שיתמכו במגוון שירותים אלחוטיים ותכניות שידור שונות, מתכנני מערכות מתמודדים עם מורכבות גבוהה יותר של מעגלים חשמליים, אך עליהם לעמוד בתקציבים דומים לגודל, עוצמה ועלות.
הוספת יותר ערוצי מקלט במגדל תחנת בסיס מניבה תפוקה גבוהה יותר, אך השימוש בכל ערוץ ברמת כוח RF גבוהה יותר הוא חיוני באותה מידה לשמירה על מורכבות ועלות המערכת ברמות מקובלות. עבור עוצמת RF גבוהה יותר, למתכנני חומרה אין חלופות רבות בתכנון ה- RF הקדמי שלהם אלא להסתמך על פתרונות מדור קודם שזקוקים להספק הטיה גבוה ומעגלים היקפיים מורכבים, מה שמקשה על השגת יעדי תכנון.
התקנים אנלוגיים הציגו לאחרונה מתג הספק גבוה משולב עם מגבר רעש נמוך (LNA) במודולי multichip עבור מערכות חלוקת זמן דופלקס (TDD). משפחת ADRF5545A / ADRF5547 / ADRF5549 מכסה פסים סלולריים מ -1.8 ג’יגה הרץ עד 5.3 ג’יגה הרץ והיא מתוכננת בצורה אופטימלית לממשקי אנטנה M-MIMO.
שילוב מתג מתח גבוה בתהליך סיליקון ומגבר רעש נמוך בעל ביצועים גבוהים בתהליך GaAs – משפחת מכשירים חדשה זו מציעה יכולת טיפול גבוהה בהספק RF יחד עם אינטגרציה גבוהה ללא שום פשרות – כלומר היא הטובה ביותר משני העולמות.
ארכיטקטורה דו-ערוצית
תרשים חסימת יישום ADRF5545A / ADRF5547 / ADRF5549 לתכנון קדמי M-MIMO RF מוצגת באיור 1. למכשיר תעלות הכוללות מתג מתח גבוה ואחריו LNA דו-שלבי. במהלך פעולת מצב קבלת המשדר, המתג מנתב את אות הקלט לכניסת ה- LNA.
במהלך מצב השידור, הקלט מנותב לסיום 50 Ω כדי להבטיח התאמה נכונה לממשק האנטנה ובכדי לבודד את ה- LNA מכל כוח המוקרן מהאנטנה. הארכיטקטורה הדו-ערוצית המשולבת מאפשרת למעצבים לשנות בקלות את גודל ה- MIMO שלהם כדי לצלוח את מגבלת הציוד מדור קודם של 8 x 8 (8 משדר × 8 מקלט) – לתצורות 16 × 16, 32 × 32, 64 × 64 ומעבר לה.
רוחב פס של פעולב רחבה
ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549 מסגלים תכונות של כל מכשיר, והכיסוי של התדרים שלהם בהתאמה מוצג באיור 2. האיורים מותאמים לפסים סלולריים נפוצים, ומיושרים עם רכיבים מכוונים אחרים המשמשים באותו עיצוב, כמו מגברי כוח ומסננים.
מתג הגנה בהספק גבוה
המכשיר משלב מתג מתח גבוה המעוצב בתהליך סיליקון שאינו זקוק לרכיבים חיצוניים לייצור מתח חשמלי קבוע. המתג פועל על אספקת 5 וולט בודדת עם צריכת זרם של 10 מגה-אמפר בלבד, ויכול להשיק למיקרו-בקרים דיגיטליים סטנדרטיים ישירות ללא הצורך בכל מתח שלילי או מסבים מפלסיים.
בהשוואה ליישום באמצעות מתגים מבוססי דיודה PIN, מתג הסיליקון חוסך למשתמש כ- 80% הספק מתח חשמלי קבוע ואזור לוח מעגלים של 90%. המתג יכול להתמודד עם סיגנל RF ממוצע של 10 וואט עם יחס מקסימאלי של 9 dB peak-to-average ratio (PAR) בפעולה רציפה ולעמוד בהספק הכפול מההספק המדורג במצב תקלה. ADRF5545A / ADRF5547 / ADRF5549 הם המוצרים הראשונים בשוק הכוללים יכולת טיפול בהספק של 10 וואט, מה שהופך אותם לאידיאליים עבור עיצובי M-MIMO בעלי עוצמה גבוהה.
אם ניתן להעביר יותר כוח מכל אלמנט אנטנה, ניתן להפחית את מספר ערוצי השידור כדי להוציא את אותו כוח RF מתחנת הבסיס.
ארכיטקטורת ADRF5545A/ADRF5547/ADRF5549 מוצגת באיור 3, החושף שמתג החשמל הגבוה לשני הערוצים מסופק ונשלט באותו מכשיר. ל- LNAs יש אספקה ואות בקרה בנפרד.
תצורת רעש נמוך
LNA דו-שלבי מתוכנן בתהליך GaAs, המסופק על ידי אספקת 5 וולט בודדת, ואינו זקוק למשרנים חיצוניים לצורך מתח חשמל קבוע. הרווח בעל מאפיינים שטוחים לאורך התדר, והינו ניתן לתכנות ל- 32 dB ו- 16 dB במצבי רווח גבוהים ונמוכים, בהתאמה. המכשיר כולל גם מצב הספק נמוך כדי לחסוך בעוצמת המתח החשמלי הקבוע בו ניתן להפעיל את ה- LNA בזמן פעולת השידור. למכשיר נתון רעש של 1.45 dB כולל אובדן הכניסה של המתג, שמתאים היטב הן למערכות M-MIMO בעלות הספק גבוה והן בעלות הספק נמוך יותר. איור 4 מציג את ביצועי נתוני הרעש של ה- ADRF5545A / ADRF5547 / ADRF5549 ברצועות שצוינו.
גודל קומפקטי, מינימום רכיבים חיצוניים
מלבד קבלי הניתוק הראשיים על סיכות האספקה וקבלים לחסימת dc בסיכות אות RF, המכשיר אינו זקוק לרכיבי כוונון או התאמה. הכניסות והיציאות RF הן תואמות 50 Ω. ל- LNA משרנים תואמים ומתח חשמל קבוע משולבים בתכנון. אלה מפחיתים את חשבון החומרים לרכיבים יקרים כגון
משרנים, אך גם מפשטים את עיצוב החומרה למען שיח בין ערוצים בין המשדרים-מקלטים הסמוכים. המכשיר מגיע באריזה הניתנת להתקנה על פני השטח של 6 מ”מ × 6 מ”מ עם מבחש תחתון בעל רגישות תרמית מוגברת.
המכשיר מיועד לפעול בטמפרטורת התיבה הנעה מ- –400C ועד +1050C. כל שלושת החלקים מורכבים באותה חבילה ויש להם את אותו צמד. ניתן להשתמש בהם באופן חליפי באותו לוח מעגל חשמלי.
המכשיר מוצג כפי שהוא מותקן בלוח ההערכה שלו באיור 5. לוחות הערכה זמינים מ- ADI ישירות או דרך המפיצים שלו.
מידע טכני מפורט, דפי מידע על המוצר ומסמכים תומכים אחרים ניתן למצוא בדפי המוצר ב- analog.com
על הסופר
בילג’ באירקסי הצטרף ל- Analogue devices ב- 2009 ומשמש מנהל שיווק ומוצר למוצרי RF ובקרת מיקרוגל. הוא בעל תארי M.S.E.E. מאוניברסיטת איסטנבול הטכנולוגית, ויש לו יותר מ- 20 שנות נסיון בתעשיית הסמי-קונדקטור. ניתן לפנות אליו באימייל bilge.bayrakci@analog.com.
