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5G|深度分析: 幫你尋找5G毫米波天線的最優技術選擇

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5G|深度分析: 幫你尋找5G毫米波天線的最優技術選擇

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5G|深度分析: 幫你尋找5G毫米波天線的最優技術選擇

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業界普遍認為 ， 混合波束賦形將是工作在微波和毫米波頻率的5G系統的首選架構 。 這種架構綜合運用數字 (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個數據流的組合分割到n條RF路徑上以形成自由空間中的波束 ， 故天線元件總數為乘積m × n 。 數字流可通過多種方式組合 ， 既可利用高層MIMO將所有能量導向單個用戶 ， 也可以利用多用戶MIMO支持多個用戶 。

圖1. 混合波束賦形框圖
接下來我們將考察一個簡單的大規模天線陣列示例 ， 借以探討毫米波無線電的最優技術選擇 。 現在深入查看毫米波系統無線電部分的框圖 ， 可以看到一個經典超外差結構完成微波信號到數字信號的變換 ， 然后連接到多路射頻信號處理路徑 ， 這里主要是運用微波移相器和衰減器來實現波束賦形 。
【5G|深度分析: 幫你尋找5G毫米波天線的最優技術選擇】傳統上 ， 毫米波系統是利用分立器件構建 ， 導致其尺寸較大且成本較高 。 這樣的系統里面的器件使用CMOS、SiGe BiCMOS和 GaAs等技術 ， 使每個器件都能得到較優的性能 。 例如 ， 數據轉換器現在采用CMOS工藝開發 ， 使采樣速率達到GHz范圍 。 上下變頻和波束賦形功能可以在SiGe BiCMOS中有效實現 。 根據系統指標要求 ， 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 ， 利用它將能實現較高的集成度 。
對于5G毫米波系統 ， 業界希望將微波器件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 束的整個框圖都應當集成到單個IC中；實際情形中 ， 至少應將上下變頻器和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用決定的 ， 在下面的示例分析中我們將體會到這一點 。
一個示例 ， 分析分析
分析『天線中心頻率為28 GHz ， EIRP為60 dBm』 ， 使用如下假設條件：
⊙ 天線陣子增益 = 6 dBi（瞄準線）
⊙ 波形PAPR = 10 dB（采用QAM的OFDM）
⊙ P1dB時的功率放大器PAE = 30%
⊙ 發射/接收開關損耗 = 2 dB
⊙ 發射/接收占空比 = 70%/30%
⊙ 數據流 = 8
⊙ 各電路模塊的功耗基于現有技術 。
該模型以8個數據流為基礎來構建 ， 連接到不同數量的RF鏈 。 模型中的天線數量以8的倍數擴大 ， 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：由于開關損耗 ， 放大器的輸出功率要比提供給天線的功率高2 dB 。 當給天線增加元件時 ， 方向性增益隨著X軸對數值提高而線性提高 ， 因此 ， 各放大器的功耗要求降低 。

圖2. 天線增益與功率放大器輸出水平要求的關系
為了便于說明 ， 我們在曲線上疊加了技術圖 ， 指示哪種技術對不同范圍的天線元件數量最佳 。 注意：不同技術之間存在重疊 ， 這是因為每種技術都有一個適用的值范圍 。 另外 ， 根據工藝和電路設計實踐 ， 具體技術可以實現的性能也有一個范圍 。 元件非常少時 ， 各鏈需要高功率PA（GaN和GaAs） ， 但當元件數量超過200時 ，P1dB降到20 dBm以下 ， 處于硅工藝可以滿足的范圍 。 當元件數量超過500時 ， PA性能處于當前CMOS技術就能實現的范圍 。

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