5G毫米波天線應(yīng)該選擇什么架構(gòu)

　　業(yè)界普遍認(rèn)為，混合波束賦形將是工作在微波和毫米波頻率的5G系統(tǒng)的首選架構(gòu)。這種架構(gòu)綜合運(yùn)用數(shù)字 （MIMO） 和模擬波束賦形來克服高路徑損耗并提高頻譜效率。如圖1所示，m個數(shù)據(jù)流的組合分割到n條RF路徑上以形成自由空間中的波束，故天線元件總數(shù)為乘積m × n。數(shù)字流可通過多種方式組合，既可利用高層MIMO將所有能量導(dǎo)向單個用戶，也可以利用多用戶MIMO支持多個用戶。

　　接下來我們將考察一個簡單的大規(guī)模天線陣列示例，借以探討毫米波無線電的最優(yōu)技術(shù)選擇。現(xiàn)在深入查看毫米波系統(tǒng)無線電部分的框圖，可以看到一個經(jīng)典超外差結(jié)構(gòu)完成微波信號到數(shù)字信號的變換，然后連接到多路射頻信號處理路徑，這里主要是運(yùn)用微波移相器和衰減器來實現(xiàn)波束賦形。傳統(tǒng)上，毫米波系統(tǒng)是利用分立器件構(gòu)建，導(dǎo)致其尺寸較大且成本較高。這樣的系統(tǒng)里面的器件使用CMOS、SiGe BiCMOS 和 GaAs等技術(shù)，使每個器件都能得到較優(yōu)的性能。例如，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在采用CMOS工藝開發(fā)，使采樣速率達(dá)到GHz范圍。上下變頻和波束賦形功能可以在SiGe BiCMOS中有效實現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求，可能需要基于GaAs功率放大器和低噪聲放大器，但如果 SiGe BiCMOS能夠滿足要求，利用它將能實現(xiàn)較高的集成度。對于5G毫米波系統(tǒng)，業(yè)界希望將安裝在天線基板背面，這要求微波芯片的集成度必須大大提高。例如，中心頻率為 28 GHz的天線的半波陣子間距約為5 mm。頻率越高，此間距越小，芯片或封裝尺寸因而成為重要考慮因素。理想情況下，單波 束的整個框圖都應(yīng)當(dāng)集成到單個IC中；實際情形中，至少應(yīng)將上下變頻器和RF前端集成到單個RFIC中。集成度和工藝選擇在某種程度上是由應(yīng)用決定的，在下面的示例分析中我們將體會到這一點。

　　⊙ 天線陣子增益 = 6 dBi（瞄準(zhǔn)線）

　　⊙ 波形PAPR = 10 dB（采用QAM的OFDM）

　　⊙ P1dB時的功率放大器PAE = 30%

　　⊙ 發(fā)射/接收開關(guān)損耗 = 2 dB

　　⊙ 發(fā)射/接收占空比 = 70%/30%

　　⊙ 數(shù)據(jù)流 = 8

　　⊙ 各電路模塊的功耗基于現(xiàn)有技術(shù)。

　　該模型以8個數(shù)據(jù)流為基礎(chǔ)來構(gòu)建，連接到不同數(shù)量的RF鏈。模型中的天線數(shù)量以8的倍數(shù)擴(kuò)大，最多512個元件。圖2顯示了功率放大器線性度隨著天線增益提高而變化的情況。注意：由于開關(guān)損耗，放大器的輸出功率要比提供給天線的功率高2 dB。當(dāng)給天線增加元件時，方向性增益隨著X軸對數(shù)值提高而線性提高，因此，各放大器的功耗要求降低。