5G毫米波无线电射频技术简介

Tom Chen

业界普遍认为，混合波束赋形（例如图1所示）将是工作在微波和毫米波频率的5G系统的首选架构。这种架构综合运用数字 (MIMO) 和模拟波束赋形来克服高路径损耗并提高频谱效率。如图1所示，m个数据流的组合分割到n条RF路径上以形成自由空间中的波束，故天线元件总数为乘积m × n。数字流可通过多种方式组合，既可利用高层MIMO将所有能量导向单个用户，也可以利用多用户MIMO支持多个用户。

图1. 混合波束赋形框图

本文将考察一个简单的大规模天线阵列示例，借以探讨毫米波无线电的最优技术选择。现在深入查看毫米波系统无线电部分的框图，我们看到一个经典超外差结构完成微波信号到数字信号的变换， 然后连接到多路射频信号处理路径，这里主要是运用微波移相器和衰减器来实现波束赋形。 传统上，毫米波系统是利用分立器件构建，导致其尺寸较大且 成本较高。这样的系统里面的器件使用CMOS、SiGe BiCMOS和 GaAs等技术，使每个器件都能得到较优的性能。例如，数据转换器现在采用CMOS工艺开发，使采样速率达到GHz范围。上下变频和波束赋形功能可以在SiGe BiCMOS中有效实现。根据系统指标要求，可能需要基于GaAs功率放大器和低噪声放大器，但如果 SiGe BiCMOS能够满足要求，利用它将能实现较高的集成度。

对于5G毫米波系统，业界希望将微波器件安装在天线基板背面，这要求微波芯片的集成度必须大大提高。例如，中心频率为 28 GHz的天线的半波阵子间距约为5 mm。频率越高，此间距越小，芯片或封装尺寸因而成为重要考虑因素。理想情况下，单波束的整个框图都应当集成到单个IC中；实际情形中，至少应将上下变频器和RF前端集成到单个RFIC中。集成度和工艺选择在某种程度上是由应用决定的，在下面的示例分析中我们将体会到这一点。

示例分析：天线中心频率为28 GHz， EIRP为60 dBm

此分析考虑一个典型基站天线系统，EIRP要求为60 dBm。使用如下假设条件：

- 天线阵子增益 = 6 dBi（瞄准线）
- 波形PAPR = 10 dB（采用QAM的OFDM）
- P1dB时的功率放大器PAE = 30%
- 发射/接收开关损耗 = 2 dB
- 发射/接收占空比 = 70%/30%
- 数据流 = 8
- 各电路模块的功耗基于现有技术。
该模型以8个数据流为基础来构建，连接到不同数量的RF链。模型中的天线数量以8的倍数扩大，最多512个元件。

图2显示了功率放大器线性度随着天线增益提高而变化的情况。 注意：由于开关损耗，放大器的输出功率要比提供给天线的功率高2 dB。当给天线增加元件时，方向性增益随着X轴对数值提高而线性提高，因此，各放大器的功耗要求降低。

图2. 天线增益与功率放大器输出水平要求的关系

为了便于说明，我们在曲线上叠加了技术图，指示哪种技术对不 同范围的天线元件数量最佳。注意：不同技术之间存在重叠，这 是因为每种技术都有一个适用的值范围。另外，根据工艺和电路设计实践，具体技术可以实现的性能也有一个范围。元件非常少时，各链需要高功率PA（GaN和GaAs），但当元件数量超过200时， P1dB降到20dBm以下，处于硅工艺可以满足的范围。当元件数量 超过500时，PA性能处于当前CMOS技术就能实现的范围。

现在考虑元件增加时天线Tx系统的功耗，如图3所示。同预期一样，功耗与天线增益成反比关系，但有一个限值。超过数百元件时，PA的功耗不再占主导地位，导致效益递减。

图3. 天线增益与天线Tx部分直流功耗的关系

整个系统的功耗如图4所示（包括发射机和接收机）。同预期一样，接收机的功耗随着RF链的增加而线性提高。若将不断下降的Tx功耗曲线叠加在不断上升的Rx功耗曲线上，我们会观察到一个最低功耗区域。

本例中，最低值出现在大约128个元件时。回顾图2给出的技术图，要利用128个元件实现60dBm的EIRP，最佳PA技术是GaAs。

虽然使用GaAs PA可以实现最低的天线功耗和60dBm EIRP，但这可能无法满足系统设计的全部要求。前面提到，很多情况下要求将RFIC放在天线元件的λ/2间距以内。使用GaAs发射/接收模块可提供所需的性能，但不满足尺寸约束条件。为了利用GaAs发射/接收模块，需要采用其他封装和布线方案。

优先选择可能是增加天线元件数量以使用集成到RFIC中的SiGe BiCMOS功率放大器。图4显示，若将元件数量加倍，达到约256 时，SiGe放大器便能满足输出功率要求。功耗的增幅很小，而且可以把SiGe BiCMOS RFIC放到天线元件 (28 GHz) 的λ/2间距以内。

将这一做法扩展到CMOS，我们发现CMOS也能实现整体60dBm EIRP，但从技术图看，元件数量还要加倍。因此，这种方案会导致尺寸和功耗增加，考虑到电流技术限制，CMOS方法不是可行的选择。

图4. 整个天线阵列的直流功耗与天线增益的关系

我们的分析表明：同时考虑功耗和集成尺寸的话，当前实现60dBm EIRP天线的最佳方案是将SiGe BiCMOS技术集成到RFIC中。 然而，如果考虑将更低功耗的天线用于CPE，那么CMOS当然是可行的方案。

这一分析是基于当前可用技术，但毫米波硅工艺和设计技术正在取得重大进步。我们预计未来的硅工艺会有更好的能效和更高的 输出功率能力，将能实现更小的尺寸并进一步优化天线尺寸。

随着5G的到来日益临近，设计人员将持续遇到挑战。为毫米波无线电应用确定最佳技术方案时，考虑信号链的所有方面和不同IC工艺的各种优势是有益的。