【应用】双通道射频前端多芯片模块TGFE0220D，采用氮化镓工艺，5G室外一体机微基站的理想选择

时间： 2023-09-03 来源：充电头网公众号

技术问答

5G带来的挑战是什么？在应对这些挑战的过程中，无线电和网络工程师采用了多种技术。除了将数据服务迁移到网络终端外，他们还使用了大规模多输入多输出（Massive MIMO）和小型蜂窝（Small Cell）技术来提高容量和吞吐量。大规模MIMO技术通过利用阵列中的多个天线来提供更广泛的覆盖范围，并增加网络的容量。然而，大规模MIMO技术使用的高频信号（通常为2.6GHz及以上）在建筑物内的传播能力有限。为了解决室内位置以及其他难以到达的室外区域的覆盖问题，小型蜂窝技术是必不可少的。由于不同位置（从家庭到企业、购物场所甚至竞技场）有不同的安装需求，因此小型蜂窝技术的应用对于5G的成功至关重要。然而，由于需要大量的小型蜂窝器件和多样化的部署方案，安装和运行成本必须控制在较低水平，这是实现5G时要考虑的关键因素。

国内5G小型蜂窝网的主要架构是由基带单元（BBU）、交换机和射频单元（RRU）组成。关于射频单元（RRU）的设计，以下是一些具体内容：

1、RRU的器件形态包括室外一体化微RRU和室内一体化微站、室内扩展型微站等。

2、一体化微RRU与宏基站AAU/RRU的主要区别在于发射功率和集成度。

3、室内扩展型微站通常由交换器件和射频远端单元组成。它具有较好的扩展性，其基带单元一般与宏基站BBU器件通用。

4、一体化微RRU器件使用较少的通道数（例如4T4R RRU），每个通道的最大发射功率不超过10瓦特。这种器件主要用于宏基站的弱覆盖区域和业务热点区域等场景。

关于使用的频率，尽管没有具体的公开信息，但可以参考相关的5G频段的使用规定。在中国，5G的频段包括3.3-3.4GHz（Band 40）、3.4-3.6GHz（Band 41）、3.6-3.8GHz（Band 42）、3.8-4.0GHz（Band 43）、4.0-4.2GHz（Band 44）、4.2-4.4GHz（Band 45）、4.4-4.5GHz（Band 46）、4.5-4.6GHz（Band 47）、4.6-4.8GHz（Band 48）以及4.8-5.0GHz（Band 49）。

最后，为了满足无线电器件的高度集成和节能需求，可以采用多种解决方案，如以太网供电（PoE）、标准电源器件、监控和保护解决方案等。这些解决方案具有小巧的体积，可以为无线电环境提供高效率和低噪声，并为关键器件（如功率放大器）提供保护选项。

综上所述，通过整合和创新各种技术，实现成本低、性能高的小型蜂窝平台，可以在运营商网络中高效部署和支持低功率和高功率系统。

系统概述

图1展示了一个典型的5G小型蜂窝网络的框图，采用了4T4R（4个发射器和4个接收器）的配置。该网络可以根据需求采用不同的排列方式，包括2T2R以及一系列不同功率等级（从24dBm及以上）。本文将以此框图为基础，主要介绍适应小型蜂窝网中频段和功率变化的5G技术器件，并且能够轻松扩展。

图1. 小型蜂窝功能框图

该架构的成功证明了其价值。由于该架构本身具备了所需的频谱效率和传输可靠性，因此它将成为新兴的5G网络无线电的首选架构。然而，使5G成为现实的挑战在于，设计人员必须大幅增加同时在多个频段上运行的收发器通道数量，并将所有必要的硬件压缩整合到与前一代器件相同或更小的空间中。

这样做会带来以下问题：

●通道越多，基站内外的射频功率就越高，从而加剧了各通道之间隔离的问题。

●为了在高功率信号下保持可靠性，接收器前端组件必须提高动态范围性能。

●设备尺寸的重要性不可忽视。

●随着电子器件和发射器功率的增加，热管理问题也需要解决。

为了满足各种无线服务和不同传输方案的需求，系统设计人员面临着更复杂的电路设计，并且必须在类似的尺寸、功率和成本预算下进行。增加更多的收发通道可以提高吞吐量，但在实现更高射频功率级别的每个通道时，保持系统的复杂度和成本在可接受范围内同样重要。为了实现更高的射频功率，硬件设计人员在射频前端设计中并没有太多选择，而是依赖于传统解决方案，这些解决方案需要高偏置功率和复杂外设电路，这使得实现设计目标更加困难。

最近，泰高技术推出了适用于时分双工系统（TDD系统）的多芯片模块，该模块集成了低噪声放大器（LNA）和氮化镓工艺的高功率开关 TGFE0220D，覆盖了2.0GHz至4.2GHz的蜂窝频段，并针对M-MIMO天线接口进行了优化设计。该系列器件通过GaN工艺集成了高功率开关和GaAs工艺集成的高性能低噪声放大器，具备高射频功率处理能力和高度集成度，既不牺牲性能也不牺牲成本。

双通道架构

TGFE0220D的M-MIMO RF前端设计采用双通道架构，如图2所示。该器件集成了高功率开关和两级LNA。在接收模式下，开关将输入信号路由至LNA输入端。在发射模式下，输入经过50 Ω端口路由，以确保与天线接口的正确匹配，并将LNA与天线之间的任何反射功率隔离。通过集成的双通道架构，设计人员可以轻松扩展MIMO，超越传统器件8×8（8个发射器×8个接收器）的限制，实现16×16、32×32、64×64甚至更高的配置。

图2. M-MIMO射频前端框图

高功率保护开关

该器件包含一种采用氮化镓（GaN）工艺设计的大功率开关，无需额外的外部组件来产生偏置。该开关适用于5V单电源运行，仅消耗5mA的电流，并可以直接与标准数字微控制器连接，无需采用负电压或电平转换器。相比于基于PIN二极管开关的实现方案，氮化镓开关可以节省用户约80%的偏置功率和90%的电路板空间。

在连续运行时，该开关能够处理峰均比（PAR）为9dB的20W平均射频信号，并且在故障情况下能够承受两倍额定功率。TGFE0220D是市场上首批具备20W功率处理能力的产品，因此非常适用于高功率M-MIMO设计。通过向每个天线元件传输更多的功率，可以减少传输通道的数量，并从基站中获取相同的射频功率。TGFE0220D的架构如图3所示。可以看出，两个通道的大功率开关都由同一器件引脚供电和控制，而低噪声放大器则有自己独立的电源和控制信号设计。同时，该器件在故障情况下也能够正常工作。

图3. TGFE0220D电路架构

低噪声系数

本款两级低噪声放大器（LNA）采用GaAs工艺设计，单电源供电为5V，无需外部偏置电感器。在频率范围内，其增益特性保持平坦。以3.6GHz为条件，高增益模式和低增益模式的编程分别为32dB和13dB。该器件还支持低功耗模式，可以关闭LNA的电源以节省偏置电源。其噪声系数为1.0dB（包括开关的插入损耗），使其非常适用于高功率和低功率M-MIMO系统。图4展示了TGFE0220D在指定频段上的噪声系数性能。

具体来说：

●在3.6GHz频率下，高增益模式下的噪声系数为1.0dB；

●在3.6GHz频率下，低增益模式下的噪声系数为0.9dB；

●RXOUT-CHA和RXOUT-CHB之间的隔离度为40dB（典型值）；

●TERM-CHA和TERM-CHB之间的隔离度为55 dB（典型值）；

●在3600MHz处的插入损耗为0.45dB（TX模式）。

图4. TGFE0220D噪声系数

小尺寸，外部组件数量少

该器件具有以下特点：除了电源引脚上的主要解耦电容和射频信号引脚上的隔直电容外，无需添加任何调谐或匹配元件。射频输入和输出采用50Ω匹配。在LNA设计中，匹配和偏置电感已经集成其中。这一设计不仅节省了昂贵的组件材料成本，而且简化了硬件设计中相邻收发器之间通道间串扰的问题。该器件采用6mm × 6mm表贴封装形式，并附带散热增强底板。其额定壳温范围为-40℃到+105℃。

通过查看图5，您可以看到该器件是如何安装在其评估板上的。如果您对该评估板感兴趣，您可以直接联系泰高技术授权代理商：世强平台获取。

图5. TGFE0220D for 2.0GHz~4.2GHz评估板

功能对比A品牌

泰高技术的TGFE0220D与A品牌的ADRF5545A和ADRF5515在P2P兼容性方面完全相同，并且在性能上超过了A品牌。据图6显示，TGFE0220D的性能对比表明它具有出色的表现。

TGFE0220D是一款兼容ADRF5545A和ADRF5515的芯片，但是它们之间存在三个显著的差异。首先，TGFE0220D的第4个引脚无法连接到地线，因此需要对PCB进行微小的调整。其次，与ADRF5545A相比，TGFE0220D具有更优秀的噪声系数，类似于ADRF5515。在应用中，噪声系数发挥着至关重要的作用。最后，TGFE0220D的插入损耗也优于ADRF5545A，类似于ADRF5515。这意味着在使用TGFE0220D时，信号插入时的损耗更小。

这些特点使得TGFE0220D成为非常值得考虑的芯片选择。它不仅与A品牌兼容，而且在性能方面表现卓越。无论是优化噪声系数还是降低插入损耗，TGFE0220D都可以为用户提供更好的性能和信号质量。对于需要高性能和可靠性的应用场景，TGFE0220D是一个理想的选择。

图6. TGFE0220D性能对比表

深圳市泰高技术有限公司是一家专注于氮化镓射频前端芯片的半导体企业。凭借自身在该领域的发明专利，泰高成功研发了一系列高功率氮化镓射频前端芯片。这些创新产品不仅可以显著扩展无线通信的覆盖范围，还能提升图像传输的质量。通过采用泰高技术的氮化镓设计方法，这些芯片实现了更高的功率密度和更低的能耗。这项创新技术不仅提升了整体产品性能，还对无线通信领域带来了革命性的突破。借助泰高的高功率氮化镓射频前端芯片，用户可以享受到更远距离的无线连接和更高质量的图像传输，无论是在通信设备、无人机或其他需要远程通信的场景中。此外，这些芯片还具有出色的能效表现，能够在保持高性能的同时降低能耗。这意味着设备可以长时间稳定运行，并为环保事业做出贡献。

泰高公司的座右铭是“颠覆性创新，实现高效节能 — 泰高技术的氮化镓射频芯片”。这个口号体现了泰高对颠覆传统、推动创新的决心和承诺。泰高将一直致力于在氮化镓射频领域进行前沿研究，为客户提供更先进、更可靠的解决方案，实现高效节能的目标。

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型号- TGSP1130AC,TGP A2D20F-EVB-G,TGSP2220AC,TGFE0220D,TGSP11120AC,TGSP1A20BE,TGSP2A20DE,TGLA160AB,TGSP1342CD,TGSP1142BC,TGLA130AB EVB E,TGPA2D40G,TGSP1522AC,TGSP2340AD,TGLA130AB,TGSI1140DE,TGPA2D20F-EVB-A2,TGLA150AB-EVB-A,TGSF1A20EE,TGLA150AB-EVB-B,TGPS04100K,TGLA150AB-EVB-C,TGSP2140AC,TGSP2520DE,TGSP1222BC,TGSP1522DE,TGSB2140AC,TGFE0120S,TGSP1322CD,TGLA130AB EVB-C,SP2T,TGLA130AB EVB-D,TGSB1120AC,TGPS02140K,TGFE0220D EVB-B,TGFE0220D EVB-C,TGFE0220D EVB-A,TGPA2D30G,TGLA150AB,TGSF1220AC,TGLA150AB-EVB-D,TGSP1124AC,TGPA2D40G-EVB-F,TGPA2D40G-EVB-E,TGPA2D40G-EVB-D,TGSB2320AD,TGPS04190K,TGSF2220AC,TGSP1320AD,TGSB1140AC,TGLA130AB-EVB-A,SP4T,TGPA2D40G-EVB-C,TGPA2D40G-EVB-B,TGPA2D20F-EVB-1,TGPA2D40G-EVB-A,TGLA152CA-EVB-B,TGSF1520EE,TGLA152CA-EVB-A,TGLA152CA-EVB-D,TGLA152CA-EVB-C,TGLA130AB-EVB-B,TGPA2D20F-EVB-C,TGPA2D20F-EVB-D,TGPA2D20F-EVB-E,TGPA2D20F-EVB-F,TGPA2D20F-EVB-A,TGPA2D20F-EVB-B,TGPA2D20F-EVB-K,TGSP1520AE,TGPA2D20F-EVB-L,TGPA2D20F-EVB-M,TGLA152CB,TGLA152CA,TGSF2A20EE,TGPA2D20F-EVB-H,TGPA2D20F,TGPA2D20F-EVB-J,TGSP1540CC,TGLA170AB,TGPS14110K,TGSP1140AC,TGPA2D30G-EVB-D,TGPA2D30G-EVB-C,TGPA2D30G-EVB-B,TGPA2D30G-EVB-A,TGLA1 60AB,TGSI1142DE,TGSP1342CD-EVB-K,TGSP1320CD,TGSP2A40DE,TGPA2D30G-EVB-H,TGPA2D30G-EVB-G,TGPA2D30G-EVB-F,TGPA2D30G-EVB-E,TGPA2D10C-EVB-G,TGPA2D10C-EVB-D,TGPA2D10C-EVB-C,TGPA2D10C-EVB-F,TGPA2D10C-EVB-E,TGPA2D10C-EVB-B,TGPA2D10C,TGPA2D10C-EVB-A,TGSP1220AC,TGSP2540CD,TGPS02160L,TGLA170AB EVB-A,TGLA170AB EVB-B,TGSF1120AC

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