5G：微波視角

隨著 5G 的崛起，成為一名射頻工程師是一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻。隨著我們踏上下一代無(wú)線通信系統(tǒng)5G的道路，工程界面臨著無(wú)數(shù)的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。5G代表了移動(dòng)技術(shù)的演變和革命，達(dá)到了無(wú)線生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)成員迄今為止發(fā)布的各種高層次目標(biāo)。

5G被廣泛視為無(wú)線的一代，它將使蜂窩擴(kuò)展到一組全新的使用，案例和垂直市場(chǎng)。雖然5G通常出現(xiàn)在提供超寬帶服務(wù)的技術(shù)中，包括高清和超高清視頻流，但5G技術(shù)也將使蜂窩進(jìn)入機(jī)器世界。它將有助于自動(dòng)駕駛汽車，并用于連接數(shù)百萬(wàn)個(gè)工業(yè)傳感器和眾多可穿戴消費(fèi)設(shè)備，僅舉幾例。

通往5G的演進(jìn)路徑包括在傳統(tǒng)蜂窩頻段中逐步增強(qiáng)4G，并將頻率擴(kuò)展到3 GHz至6 GHz范圍內(nèi)的新興頻段。大規(guī)模 MIMO 具有行業(yè)發(fā)展勢(shì)頭，將從第一個(gè)基于 LTE 的系統(tǒng)發(fā)展到采用旨在提高吞吐量、延遲和小區(qū)效率的新波形。

頻譜被視為蜂窩行業(yè)的命脈，傳統(tǒng)蜂窩頻段（sub-6 GHz）中的頻譜無(wú)法支持未來(lái)幾年呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的需求。因此，目前正在研究6 GHz以上的頻段，以測(cè)試在6 GHz以上的頻率分配中部署無(wú)線接入的可行性。雖然6 GHz以下可用的全球頻譜約為數(shù)百 MHz，但20 GHz以上的潛在頻譜量為數(shù)十 GHz。馴服該頻譜被認(rèn)為對(duì)于實(shí)現(xiàn)真正互聯(lián)世界的5G愿景至關(guān)重要。

因此，5G的一部分可能會(huì)在更高的頻率（可能高達(dá)毫米波）上運(yùn)行，并且可能會(huì)采用與LTE不向后兼容的新空中接口技術(shù)。主要行業(yè)參與者之間討論的頻段包括更高的頻段，例如 10 GHz、28 GHz、32 GHz、43 GHz、46 GHz 至 50 GHz、56 GHz 至 76 GHz 和 81 GHz 至 86 GHz。然而，這些頻段目前處于提案階段，在無(wú)線電系統(tǒng)定義和標(biāo)準(zhǔn)審議之前，信道建模仍有許多工作要完成。國(guó)際電聯(lián)最近發(fā)布了一項(xiàng)5G標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)劃，目標(biāo)是在2020年左右發(fā)布第一代IMT-2020規(guī)范。

鑒于5G仍處于起步階段，在部署第一批商用系統(tǒng)之前，需要在信道建模，無(wú)線電架構(gòu)定義以及最終芯片組開發(fā)方面完成大量工作。但是，已經(jīng)商定了某些趨勢(shì)和要求，以及需要解決的問(wèn)題，這些問(wèn)題將導(dǎo)致最終的5G系統(tǒng)。

讓我們考慮微波和毫米波頻率的5G接入系統(tǒng)。在微波頻率下實(shí)現(xiàn)無(wú)線電接入的主要障礙之一是克服不利的傳播特性。這些頻率的無(wú)線電傳播受到大氣衰減、雨水、阻塞（建筑物、人、樹葉）和反射的高度影響。微波點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路已經(jīng)部署多年，但這些通常是視線系統(tǒng)。它們是固定的，這使得鏈路易于管理，并且近年來(lái)已經(jīng)開發(fā)了這些系統(tǒng)，它們使用高階調(diào)制方案支持非常高的吞吐量。這項(xiàng)技術(shù)不斷發(fā)展，我們將利用微波鏈路技術(shù)進(jìn)入5G接入。

在周期的早期，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到需要自適應(yīng)波束成形來(lái)克服接入系統(tǒng)的傳播挑戰(zhàn)。與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)不同，波束成形需要適應(yīng)用戶和環(huán)境，以便向用戶提供有效載荷。業(yè)界普遍認(rèn)為，混合MIMO系統(tǒng)將用于微波和低毫米波頻段，而在帶寬充足的V頻段和E頻段，系統(tǒng)可能只會(huì)采用波束成形來(lái)達(dá)到所需的吞吐量目標(biāo)。

圖1.混合波束成形發(fā)射器框圖。

圖1中的圖描繪了混合波束成形發(fā)射器的高級(jí)框圖。接收器可以設(shè)想為相反的情況。MIMO 編碼與典型的數(shù)字無(wú)線電處理一起在數(shù)字部分執(zhí)行。數(shù)字部分可能會(huì)處理來(lái)自饋送天線系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)流的大量MIMO路徑。對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)流，DAC根據(jù)所選架構(gòu)將信號(hào)轉(zhuǎn)換為基帶或IF頻率的模擬信號(hào)。信號(hào)被上變頻并分成組成RF路徑，以饋送單個(gè)天線。在每個(gè)RF路徑中，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理以設(shè)置增益和相位，以形成天線的波束。

雖然框圖很簡(jiǎn)單，但系統(tǒng)挑戰(zhàn)和權(quán)衡卻很復(fù)雜。在這個(gè)簡(jiǎn)短的主題處理中，將只討論幾個(gè)問(wèn)題，但讓我們專注于架構(gòu)和無(wú)線電挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)，從一開始就要考慮到功耗、尺寸和成本，才能將這些系統(tǒng)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

雖然這種無(wú)線電目前可以使用ADI公司和同行的分立（主要是GaAs）器件為原型5G系統(tǒng)構(gòu)建，但我們需要在微波空間中實(shí)現(xiàn)與蜂窩無(wú)線電相同的高集成度。高集成度和高性能是行業(yè)難以解決的問(wèn)題。

但僅靠整合并不能解決行業(yè)面臨的這個(gè)問(wèn)題。它需要智能集成。當(dāng)我們考慮集成時(shí)，我們首先需要考慮架構(gòu)和分區(qū)，以利用 ntegation 的好處。在這種情況下，還需要考慮機(jī)械和熱設(shè)計(jì)，因?yàn)殡娐凡季趾突迨窍嗷リP(guān)聯(lián)的。

首先，需要定義一個(gè)有利于集成的架構(gòu)。如果我們考慮用于蜂窩基站的高度集成收發(fā)器IC的例子，許多使用零中頻（ZIF）架構(gòu)來(lái)消除或最小化信號(hào)路徑中的濾波。特別是在微波頻率下，必須將RF濾波器中的損耗降至最低，因?yàn)镽F功率的產(chǎn)生成本很高。雖然ZIF將減少濾波器問(wèn)題，當(dāng)然需要權(quán)衡LO抑制，但我們將問(wèn)題從物理結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到信號(hào)處理和算法上。在這里，我們可以利用摩爾定律，即無(wú)源微波結(jié)構(gòu)不遵循相同的縮放動(dòng)力學(xué)。有必要利用同時(shí)優(yōu)化模擬和數(shù)字的能力來(lái)實(shí)現(xiàn)我們的目標(biāo)。在蜂窩頻率下采用了許多算法和電路技術(shù)，可能會(huì)給微波空間帶來(lái)好處。

接下來(lái)，考慮半導(dǎo)體技術(shù)要求。如上所述，最先進(jìn)的微波系統(tǒng)通常采用砷化鎵組件實(shí)現(xiàn)。多年來(lái)，砷化鎵一直是微波行業(yè)的支柱，但SiGe工藝正在克服高頻操作的障礙，在許多信號(hào)路徑功能方面可與砷化鎵相媲美。高性能微波SiGe Bi CMOS工藝可實(shí)現(xiàn)這些波束成形系統(tǒng)所需的高集成度，包括大部分信號(hào)鏈以及輔助控制功能。

可能需要砷化鎵PA，具體取決于每個(gè)天線所需的輸出功率。然而，即使是砷化鎵PA在微波頻率下效率低下，因?yàn)樗鼈兺ǔＦ糜诰€性區(qū)域。微波PA的線性化是5G時(shí)代探索的成熟領(lǐng)域，比以往任何時(shí)候都更加成熟。

CMOS呢？它也是競(jìng)爭(zhēng)者嗎？有據(jù)可查的是，CMOS適用于大批量縮放，這在60 GHz的WiGig系統(tǒng)中得到了證明。鑒于開發(fā)的早期階段和用例的不確定性，目前很難說(shuō)CMOS是否或何時(shí)將成為5G無(wú)線電的技術(shù)選擇。首先需要在信道建模和用例中做大量工作，以得出無(wú)線電規(guī)格以及微波CMOS在未來(lái)系統(tǒng)中可能適用的位置。

5G系統(tǒng)中的最后一個(gè)考慮因素是機(jī)械設(shè)計(jì)和RF IC分區(qū)的相互依賴性。考慮到最小化損耗的挑戰(zhàn)，IC的設(shè)計(jì)需要考慮天線和基板，以優(yōu)化分區(qū)。在50 GHz以下，天線將成為基板的一部分，預(yù)計(jì)布線和一些無(wú)源結(jié)構(gòu)可能會(huì)嵌入基板中。在基板集成波導(dǎo)（SIW）領(lǐng)域正在進(jìn)行大量研究，這些研究對(duì)這種集成結(jié)構(gòu)很有希望。在這種結(jié)構(gòu)中，可以將大部分射頻電路安裝在多層層壓板的一側(cè)，并路由到正面的天線。RF IC可以以芯片形式安裝在該層壓板上，也可以安裝在表面貼裝封裝中。在工業(yè)文獻(xiàn)中，有這種結(jié)構(gòu)用于其他應(yīng)用的很好的例子。

在 50 GHz 以上，天線元件和間距變得足夠小，可以將天線結(jié)構(gòu)集成到封裝中或封裝上。同樣，這是一個(gè)正在進(jìn)行的研究領(lǐng)域，可能會(huì)推動(dòng)5G系統(tǒng)向前發(fā)展。

無(wú)論哪種情況，RF IC和機(jī)械結(jié)構(gòu)都必須協(xié)同設(shè)計(jì)，以確保布線的對(duì)稱性并最大限度地降低損耗。如果沒有強(qiáng)大的3D建模工具進(jìn)行這些設(shè)計(jì)所需的大量仿真，所有這些工作都是不可能的。

雖然這是對(duì)5G給微波行業(yè)帶來(lái)的挑戰(zhàn)的簡(jiǎn)要看法，但未來(lái)幾年將有無(wú)限的機(jī)會(huì)帶來(lái)射頻創(chuàng)新。如前所述，嚴(yán)格的系統(tǒng)工程方法將通過(guò)利用整個(gè)信號(hào)鏈中的最佳技術(shù)來(lái)產(chǎn)生最佳解決方案。作為一個(gè)行業(yè)，從工藝和材料開發(fā)到設(shè)計(jì)技術(shù)和建模，再到高頻測(cè)試和制造，還有很多工作要做。所有學(xué)科在實(shí)現(xiàn)5G目標(biāo)方面都可以發(fā)揮作用。

審核編輯：郭婷