位到波束：5G毫米波無線電射頻技術(shù)演進(jìn)

Thomas Cameron

當(dāng)無線產(chǎn)業(yè)開始創(chuàng)建5G時，2020年顯得那么遙遠(yuǎn)。而現(xiàn)在就快到2020年，這無疑將是屬于5G的十年。新聞每天都會報道新的現(xiàn)場試驗和即將進(jìn)行的商業(yè)5G部署。對于無線產(chǎn)業(yè)來說，這是一個非常令人興奮的時刻。目前，行業(yè)5G焦點(diǎn)主要在增強(qiáng)移動寬帶方面，利用中頻和高頻頻譜中的波束合成技術(shù)向更高網(wǎng)絡(luò)容量和更高吞吐量發(fā)展。我們也開始看到利用5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)低延遲特性的用例興起，例如工業(yè)自動化。

就在幾年前，業(yè)界還在討論在移動通信中使用毫米波頻譜的可行性，以及規(guī)劃無線電設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)。^1^ 短時間內(nèi)發(fā)生了很多事情，行業(yè)已經(jīng)從最初的原型制作迅速發(fā)展到成功的現(xiàn)場試驗，現(xiàn)在我們即將進(jìn)行首次商業(yè)5G毫米波部署。許多初始部署將用于固定或移動無線應(yīng)用，但不久的將來，我們還會看到真正的毫米波頻率移動連接。第一個標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)設(shè)立，技術(shù)正在迅速發(fā)展，對毫米波系統(tǒng)的部署也進(jìn)行了大量學(xué)習(xí)。雖然我們已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，但對于無線電設(shè)計人員來說，還有諸多挑戰(zhàn)。我們將在本文的其余部分探討RF設(shè)計人員面臨的一些挑戰(zhàn)。

本文分為三大主題。在第一部分，我們將討論毫米波通信的一些主要用例，為接下來的分析做鋪墊。在第二和第三部分，我們將深入研究毫米波基站系統(tǒng)的架構(gòu)和技術(shù)。在第二部分，我們將討論波束成型技術(shù)，以及所需發(fā)射功率對系統(tǒng)前端技術(shù)選擇的影響。當(dāng)波束成型備受媒體關(guān)注時，同樣重要的無線電在執(zhí)行從位到毫米波頻率的轉(zhuǎn)換。我們將給出系統(tǒng)這一部分的信號鏈?zhǔn)纠?，并介紹部分ADI公司前沿組件供無線電設(shè)計人員考慮。

部署情形和傳播注意事項

我們在開發(fā)技術(shù)時，務(wù)必了解技術(shù)最終的部署方式。在所有工程實(shí)踐中，都有需要權(quán)衡的地方，而有更多的真知灼見，就會產(chǎn)生新穎的創(chuàng)新。在圖1中，我們突出了目前在28 GHz和39 GHz頻譜中探索的兩種常見情景。

在這種情況下，基站位于電線桿或塔上，并需要覆蓋大片區(qū)域才能產(chǎn)生積極的商業(yè)案例。在初始部署中，我們假設(shè)覆蓋范圍是室外到室外，是以客戶終端設(shè)備(CPE)安裝在戶外，并且在設(shè)計鏈接時確保較佳無線連接。由于天線向下，而用戶固定，我們可能不需要很大的垂直轉(zhuǎn)向范圍，但發(fā)射功率可能相當(dāng)高，超過65 dBm EIRP，以較大限度地增加覆蓋范圍并利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施。

在圖1b中，我們展示了一個密集的城市場景，基站將安裝在建筑物屋頂或正面離地較低的位置，將來可能會發(fā)展成路燈或其他街道級安裝。無論如何，這種類型的基站將需要垂直掃描功能，以便在整個建筑物的立面上傳送信號，最終隨著移動設(shè)備的出現(xiàn)，向地面上的移動用戶（行人和車輛）傳送信號。這種 情況下，傳輸功率可能不需要像郊區(qū)那樣高，但是室外向室內(nèi)穿透仍然要面對低輻射玻璃的問題。如圖所示，在光束掃描范圍內(nèi)，無論是水平軸還是垂直軸，我們都需要更大的靈活性?？傊瑳]有萬能的解決方案。部署情形將決定波束合成架構(gòu)，而架構(gòu)將影響射頻技術(shù)的選擇。

表1. 5G基站示例| 28 GHz 800 MHz帶寬下的鏈路預(yù)算 200米鏈路 | 下行鏈路（基站） | 上行鏈路 |

| ------------------------------------------------------------------------ | ------------------ | ---------- |

| 天線元件數(shù) | 256 | 64 |

| 總傳導(dǎo)PA功率(dBm) | 33 | 19 |

| 天線增益(dB) | 27 | 21 |

| Tx EIRP (dBm) | 60 | 40 |

| 路徑損耗(dB) | 135 | 135 |

| 接收功率(dBm) | –75 | –95 |

| 熱噪聲層(dBm) | –85 | –85 |

| Rx噪聲指數(shù)(dB) | 5 | 5 |

| SNR/Rx元件(dB) | 5 | –15 |

| Rx天線增益(dB) | 21 | 27 |

| 波束合成后的Rx SNR (dB)) | 26 | 12 |

現(xiàn)在，我們來看一個實(shí)際的例子，導(dǎo)出一個簡單的鏈路預(yù)算來說明毫米波基站的發(fā)射功率要求，如表1所示。與蜂窩頻率相比，附加路徑損耗是毫米波頻率要克服的主要障礙，但障礙物（建筑物、植物、人等）也是另一個需要考慮的主要因素。近年來出現(xiàn)了大量關(guān)于毫米波頻率傳播的報道，文章“第五代(5G)無線網(wǎng)絡(luò)毫米波通信概述——以傳播模型為重點(diǎn)"中對此做了很好地概述。 ^2^ 討論并比較了數(shù)種模型，說明了路徑損耗對環(huán)境的依賴性，以及視線(LOS)方案與非視線(NLOS)方案的對比情況。 我們在這里不進(jìn)行詳細(xì)討論，我們通?？梢哉f，考慮到所需的范圍和地形，固定無線部署應(yīng)考慮使用NLOS方案。在所舉示例中，我們考慮在郊區(qū)部署200米范圍的基站。根據(jù)NLOS室外到室外鏈接，我們假定這里的路徑損耗為135 dB。如果我們嘗試從室外穿透到室內(nèi)，那么路徑損耗可能高30 dB。相反，如果我們 假設(shè)一個LOS模型，那么路徑損耗可能在110 dB左右。

在這種情況下，我們假設(shè)基站中有256個元件，CPE中有64個元件。在這兩種情況下，通過硅實(shí)施均可滿足輸出功率。假定鏈路是不對稱的，這在上行鏈路預(yù)算中起到了一定的緩解作用。在這種情況下，平均鏈路質(zhì)量應(yīng)允許在下行鏈路中進(jìn)行64 QAM操作，在上行鏈路中進(jìn)行16 QAM操作。如果需要，可以增加CPE 的發(fā)射功率至法定區(qū)域限制，以便改善上行鏈路。如果將鏈路范圍延伸到500米，路徑損耗將增加到大約150 dB。這是可行的，但會使上行鏈路和下行鏈路上的無線電變得更加復(fù)雜，功耗也將急劇增加。

毫米波波束合成

現(xiàn)在，我們來看一下各種波束合成方法：模擬、數(shù)字和混合，如圖2所示。我相信我們都很熟悉模擬波束合成的概念，因為這個話題在最近幾年的文獻(xiàn)中多有提及。在這里，我們有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號與寬帶基帶或IF信號相互轉(zhuǎn)換，連接執(zhí)行上變頻和下變頻處理的無線電收發(fā)器。在射頻（例如，28 GHz） 中，我們將單個射頻路徑分成多條路徑，通過控制每個路徑的相位來執(zhí)行波束合成，從而在遠(yuǎn)場朝目標(biāo)用戶的方向形成波束。這使得每條數(shù)據(jù)路徑都能引導(dǎo)單個波束，因此理論上來說，我們可以使用該架構(gòu)一次為一個用戶服務(wù)。

圖2. 各種波束合成方法

數(shù)字波束成型就是字面意思。相移完全在數(shù)字電路中實(shí)現(xiàn)，然后通過收發(fā)器陣列饋送到天線陣列。簡單地說，每個無線電收發(fā)器都連接到一個天線元件，但實(shí)際上每個無線電都可以有多個天線元件，具體取決于所需扇區(qū)的形狀。該數(shù)字方法可實(shí)現(xiàn)較大容量和靈活性，并支持毫米波頻率的多用戶MIMO發(fā)展規(guī)劃，類似于中頻系統(tǒng)。這非常復(fù)雜，考慮到目前可用的技術(shù)，無論是在射頻還是數(shù)字電路中，都將消耗過多的直流電。然而，隨著未來技術(shù)的發(fā)展，毫米波無線電將出現(xiàn)數(shù)字波束合成。

近期實(shí)用、有效的波束合成方法是混合數(shù)模波束成型，它實(shí)質(zhì)上是將數(shù)字預(yù)編碼和模擬波束合成結(jié)合起來，在一個空間（空間復(fù)用）中同時產(chǎn)生多個波束。通過將功率引導(dǎo)至具有窄波束的目標(biāo)用戶，基站可以重用相同的頻譜，同時在給定的時隙中為多個用戶服務(wù)。雖然文獻(xiàn)中報道的混合波束成型有幾種 不同的方法，但這里顯示的子陣方法是實(shí)際的實(shí)現(xiàn)方法，本質(zhì)上是模擬波束成型的步驟和重復(fù)。目前，報告的系統(tǒng)實(shí)際上支持2到8個數(shù)字流，可以用于同時支持單個用戶，或者向較少數(shù)量的用戶提供2層或更多層的MIMO。

讓我們更深入地探討模擬波束成型的技術(shù)選擇，即構(gòu)建混合波束成型的構(gòu)建模塊，如圖3所示。在這里，我們將模擬波束合成系統(tǒng)分為三個模塊進(jìn)行處理：數(shù)字、位到毫米波和波束成型。這并非實(shí)際系統(tǒng)的劃分方式，因為人們會把所有毫米波組件放在鄰近位置以減少損耗，但是這種劃分的原因很快就會變得很明顯。

圖3. 模擬波束合成系統(tǒng)方框圖

波束成型功能受到許多因素的推動，包括分段形狀和距離、功率電平、路徑損耗、熱限制等，是毫米波系統(tǒng)的區(qū)段，隨著行業(yè)的學(xué)習(xí)和成熟，需要一定的靈活性。即便如此，仍將繼續(xù)需要各種傳輸功率電平，以解決從小型蜂窩到宏的不同部署情形。另一 方面，用于基站的位到毫米波無線電需要的靈活性則 要小得多，并且在很大程度上可以從當(dāng)前Release 15規(guī)格中派生出來。^3^ 換言之，設(shè)計人員可以結(jié)合多個波束成型配置重用相同的無線電。這與當(dāng)前的蜂窩無線電系統(tǒng)沒有什么不同，在這些系統(tǒng)中，小信號段跨平臺很常見，而且每個用例的前端更多都是定制的。

當(dāng)我們從數(shù)字轉(zhuǎn)向天線時，就已經(jīng)為信號鏈繪制了潛在技術(shù)的進(jìn)展圖。當(dāng)然，數(shù)字信號和混合信號都是在細(xì)線體CMOS工藝中產(chǎn)生的。根據(jù)基站的要求，整個信號鏈可以用CMOS開發(fā)，或者更有可能的是，采用多種技術(shù)的混合開發(fā)，為信號鏈提供較佳性能。例如，一種常見的配置是使用具有高性能SiGe BiCMOS IF 到毫米波轉(zhuǎn)換的CMOS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。如圖所示，波束成型可采用多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)，具體取決于系統(tǒng)需求，我們將在下面討論。根據(jù)所選的天線尺寸和發(fā)射功率要求，可以實(shí)現(xiàn)高度集成的硅方法，也可以是硅波束成型與離散PA和LNA的組合。

在之前的工作中，對變送器功率與技術(shù)選擇之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，^4,5^ 在此不再全面重復(fù)。但是，為了總結(jié)這一分析，我們在圖4中包含了一個圖表。功率放大器技術(shù)的選擇基于綜合考慮所需的變送器功率、天線增益（元件數(shù)）和所選技術(shù)的RF發(fā)電能力。如圖所示，可以在前端使用II-V技術(shù)（低集成方法）或使用基于硅的高集成方法，通過較少的天線元件來實(shí)現(xiàn)所需的EIRP。每種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，而實(shí)際的實(shí)現(xiàn)取決于工程在規(guī)模、重量、直流功耗和成本方面的權(quán)衡。為了為表1中導(dǎo)出的案例生成60 dBm的EIRP，演示文稿“5G毫米波無線電的架構(gòu)與技術(shù)”^5^ 中進(jìn)行的分析得出，較佳天線尺寸介于128至256個元件之間，較低的數(shù)量通過GaAs功率放大器實(shí)現(xiàn)，而較大的數(shù)量可采用全硅波束成型基于RF IC的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖4. 60 dBm EIRP的天線所需的變送器功率、天線尺寸和半導(dǎo)體技術(shù)選擇之間的關(guān)系5

現(xiàn)在讓我們從不同的角度來研究這個問題。60 dBm EIRP是FWA常用的EIRP目標(biāo)，但數(shù)值可能更高或更低，具體取決于基站和周圍環(huán)境的期望范圍。由于部署情形變化很大，無論是樹木成蔭的地區(qū)、街道峽谷地區(qū)，還是廣闊的空地，都有大量的路徑損耗需要根據(jù)具體情況進(jìn)行處理。例如，在假定為LOS的密集城市部署中，EIRP目標(biāo)可能低至50 dBm。

FCC按設(shè)備類別^3,6^ 設(shè)定有定義和發(fā)布的規(guī)格，以及發(fā)射功率限制，這里我們遵循基站的3GPP術(shù)語。^3^如圖5所示，設(shè)備類別或 多或少地限定了功率放大器的技術(shù)選擇。雖然這不是一門精確的科學(xué)，但我們可以看到，移動用戶設(shè)備（手機(jī)）非常適合CMOS技術(shù)，相對較低的天線數(shù)量可以達(dá)到所需的變送器功率。這種類型的無線電將需要高度集成和省電才能滿足便攜式設(shè)備的需求。本地基站（小型蜂窩）和消費(fèi)者終端設(shè)備（可移動電源）要求類似，涉及從變送器功率要求低端的CMOS到更高端的SiGe BiCMOS的一系列技術(shù)。中程基站非常適合SiGe BiCMOS技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)緊湊的外形尺寸。在高端，對于廣域基站來說，可以應(yīng)用各種技術(shù)，具體取決于對天線尺寸和技術(shù)成本的權(quán)衡。盡管可在60 dBm EIRP范圍內(nèi)應(yīng)用SiGe BiCMOS，但GaAs或GaN功率放大器更適合更高的功率。

圖5. 基于變送器功率的各種毫米波無線電尺寸適配技術(shù)5

T圖5顯示了當(dāng)前技術(shù)的快照，但行業(yè)正在取得很大進(jìn)展，技術(shù)也在不斷改進(jìn)。如“5G毫米波無線電的架構(gòu)與技術(shù)”演示文稿中所述，^5^ 提高毫米波功率放大器的直流功率效率是設(shè)計人員面臨的主要挑戰(zhàn)之一。

隨著新技術(shù)和PA架構(gòu)的出現(xiàn)，上面的曲線將發(fā)生變化，并將為高功率基站提供集成度更高的結(jié)構(gòu)。演示文稿 ““近期高效毫米波5G線性功率放大器設(shè)計簡短調(diào)查”^7^中很好地概述了PA技術(shù)的進(jìn)展。

我們再復(fù)習(xí)一下上面的觀點(diǎn)，對波束成型部分進(jìn)行總結(jié)。目前還沒有一種萬能的方法，可能需要設(shè)計各種前端設(shè)計來解決從小型蜂窩到宏的各種用例。

毫米波無線電：從位到毫米波及從毫米波到位

現(xiàn)在讓我們更詳細(xì)地討論位到毫米波無線電，并探討系統(tǒng)這一部分的挑戰(zhàn)。關(guān)鍵是要將位轉(zhuǎn)換為毫米波，再以高保真度轉(zhuǎn)換回來，以支持64 QAM等高階調(diào)制技術(shù)，以及未來系統(tǒng)中可能高達(dá)256 QAM的技術(shù)。這些新無線電的主要挑戰(zhàn)之一是帶寬。5G毫米波無線電名義上必須處理1 GHz或可能更高的帶寬，具體取決于頻譜的實(shí)際分配方式。雖然28 GHz下的1 GHz帶寬相對較低(3.5%)，但假設(shè)是3 GHz中頻下的1 GHz帶寬，那么設(shè)計起來就更具有挑戰(zhàn)性，并且需要某種先進(jìn)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高性能設(shè)計。

圖6展示了一個基于組件的高性能位到毫米波無線電的方框圖示例，構(gòu)成ADI公司的寬RF和混合信號產(chǎn)品系列。該信號鏈經(jīng)證實(shí)在28 GHz上支持連續(xù)的8× 100 MHz NR載波，具有出色的誤差矢量幅度(EVM)性能。有關(guān)此信號鏈及其演示性能的更多詳細(xì)信息，可參見ADI公司的 5G毫米波基站視頻。^8^

圖6. 寬帶位到毫米波無線電框圖

讓我們來討論一下數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。在圖6的示例中，我們顯示了所 使用的直接高中頻變送器發(fā)射和高中頻接收器采樣，其中數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換器在中頻進(jìn)行發(fā)射和接收。在能夠合理實(shí)現(xiàn)的情況下，中 頻要盡可能高，以避免在RF下的圖像濾波困難，從而將中頻驅(qū) 動到3 GHz及以上。幸運(yùn)的是，先進(jìn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器能夠在這種頻 率下工作。 AD9172 是一款高性能、雙通道、16位DAC，支持高達(dá) 12.6 GSPS的采樣速率。該器件具有8通道、15 Gbps JESD204B數(shù)據(jù)輸入端口、高性能片內(nèi)DAC時鐘倍頻器和數(shù)字信號處理功能， 支持帶寬和高達(dá)6 GHz的多頻段直接至RF信號生成。在接收器中，我們顯示了雙通道、14位、3 GSPS ADC AD9208。 該器件內(nèi)置片內(nèi)緩沖器和采樣保持電路，專門針對低功耗、小尺寸和易用 性而設(shè)計。該產(chǎn)品設(shè)計支持通信應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)5 GHz的寬帶寬模擬信號直接采樣。

在發(fā)射和接收中頻階段，我們建議將數(shù)字增益放大器從單一轉(zhuǎn)換為平衡，反之亦然，以避免使用巴倫。這里，我們在發(fā)射鏈中顯示 ADL5335在接收鏈中顯示 ADL5569 作為高性能寬帶放大器的示例。

對于中頻和毫米波之間的上變頻和下變頻，我們最近推出了一種 基于硅的寬帶上變頻器 ADMV1013和下變頻器 ADMV1014。這些寬帶變頻器件的操作范圍為24.5 GHz至43.5 GHz。此頻率覆蓋范圍廣泛，因此設(shè)計人員用一種無線電設(shè)計即可處理目前定義的所有5G毫米波頻段（3GPP頻段n257、n258、n260和n261）。兩種器件 均支持高達(dá)6 GHz的中頻接口和兩種變頻模式。如圖6所示，這兩種器件都包括片內(nèi)4×本振(LO)倍頻器，且LO輸入范圍為5.4 GHz至11.75 GHz。ADMV1013既支持從基帶I/Q直接轉(zhuǎn)換為RF，也支持從中頻進(jìn)行單邊帶上變頻。它在24 dBm的高輸出IP3提供14 dB的轉(zhuǎn)換增益。如果在單邊帶變頻中實(shí)現(xiàn)，如圖6所示，該器件提供25 dB邊帶抑制。ADMV1014既支持從基帶I/Q直接轉(zhuǎn)換為RF，也支持鏡像抑 制下變頻至中頻。該器件提供20 dB的轉(zhuǎn)換增益、3.5 dB的噪聲指數(shù)和–4 dBm的輸入IP3。鏡像抑制模式中的邊帶抑制為28 dB。

RF鏈中的最后一個組件是 ADRF5020 寬帶硅SPDT開關(guān)。ADRF5020 在30 GHz時提供2 dB的低插入損耗和60 dB的高隔離度。

最后，我們來討論頻率源。考慮到本振可能占據(jù)EVM預(yù)算的很大一部分，因此使用一個相位噪聲極低的來源來生成毫米波本振(LO)至關(guān)重要。

ADF4372是一種具有行業(yè)領(lǐng)先集成PLL和超低相位噪聲VCO的寬帶微波頻率合成器，輸出功率可達(dá)62.5 MHz至16 GHz。結(jié)合外部環(huán)路濾波器和外部基準(zhǔn)頻率使用時，可實(shí)現(xiàn)小數(shù)N分頻或整數(shù)N分頻鎖相環(huán)(PLL)頻率合成器。8 GHz的VCO相位噪聲在100 kHz偏移時為–111 dBc/Hz，在1 MHz偏移時為–134 dBc/Hz。

圖6中的方框圖對于任何考慮28 GHz和39 GHz頻段毫米波設(shè)計的設(shè)計人員來說都是一個很好的起點(diǎn)，適合與需要高性能寬帶無線電的各種波束合成前端配合使用。ADI的 射頻、微波和毫米波 產(chǎn)品選型指南 中也列出了許多組件，其他信號鏈架構(gòu)或類似高頻應(yīng)用的設(shè)計人員可能會對這些組件感興趣。

總結(jié)

最近幾年，毫米波無線電發(fā)展迅猛，離開實(shí)驗室發(fā)展到了現(xiàn)場試驗，并將在接下來的幾個月進(jìn)行商業(yè)部署。不斷發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)和新出現(xiàn)的用例要求波束合成前端具有一定的靈活性，但正如討論的那樣，有一些適合近天線設(shè)計的技術(shù)和方法可供選擇。無線電的寬帶特性（位到毫米波）需要前沿技術(shù)，但基于 硅的技術(shù)正在迅速發(fā)展，以滿足混合信號和小信號域的要求?；谀壳翱捎玫慕M件給出了一個高性能無線電設(shè)計示例。

審核編輯：郭婷