【導讀】隨著5G技術(shù)的出現(xiàn)，現(xiàn)在成為一名RF工程師是一件令人激動的事情。在我們通往5G——下一代無線通信系統(tǒng)——的道路上，工程設(shè)計社區(qū)有著數(shù)不清的挑戰(zhàn)和機遇。5G代表著移動技術(shù)的演進和革命，已達到無線生態(tài)系統(tǒng)各個成員迄今發(fā)布的多項高級別目標。
普遍認為5G是一代能讓蜂窩網(wǎng)絡擴展至全新使用案例和垂直市場的無線技術(shù)。雖然5G一般用來提供超寬帶服務——包括高清和超高清視頻流——5G技術(shù)將還可以讓蜂窩網(wǎng)絡進入機器世界。它將造福于無人駕駛汽車，并用來連接數(shù)以百萬計的工業(yè)傳感器以及各種可穿戴消費電子設(shè)備——此處僅列舉了其中的部分應用。
通往5G的革命性道路包括逐步增強傳統(tǒng)蜂窩頻段中的4G，并在頻率上擴展到3 GHz至6 GHz范圍的新興頻段。大規(guī)模MIMO具有迅猛的行業(yè)發(fā)展勢頭，并將從基于LTE的首款系統(tǒng)，演進至采用針對改善吞吐速率、延遲和蜂窩效率而設(shè)計的全新波形。
蜂窩行業(yè)將頻譜視為一切的根本，但傳統(tǒng)蜂窩頻段(sub-6 GHz)的頻譜無法滿足未來幾年內(nèi)指數(shù)級增長的需要。因此，目前正在研究超過6 GHz的頻段，以便測試在6 GHz以上頻率分配部署無線接入的可行性。全球6 GHz以下的總頻譜約為數(shù)百MHz，而20 GHz以上的潛在頻譜則是數(shù)十GHz。掌握這種頻譜對于實現(xiàn)真正互連的世界這一5G愿景來說至關(guān)重要。
因此，某個5G頻段的工作頻率也許要高很多(可能高達毫米波)，并有可能采用無法向后兼容LTE的最新空中接口技術(shù)。主要的行業(yè)參與者探討的頻段包含較高的頻段，比如10 GHz、28 GHz、32 GHz、43 GHz、46 GHz至50 GHz、56 GHz至76 GHz以及81 GHz至86 GHz。然而，這些頻段目前尚處于提議階段，在進入無線系統(tǒng)定義和標準審議階段之前，通道建模還有很多工作需要完成。ITU最近發(fā)布了5G標準化計劃，目標定于2020年前后發(fā)布第一代IMT-2020規(guī)格。
考慮到5G尚處于起步階段，在部署第一個商用系統(tǒng)之前還需完成通道建模、無線架構(gòu)定義，以及最終的芯片組開發(fā)。但是，目前已經(jīng)就某些趨勢和要求達成了一致，待一些問題解決后終將催生出5G系統(tǒng)。
讓我們看一下微波和毫米波頻段的5G接入系統(tǒng)。在微波頻率下實施無線接入的最大障礙之一是克服不理想的傳播特性。這些頻段下的無線傳播在很大程度上受到大氣衰減、下雨、障礙物(建筑、人群、植物)以及反射的影響。微波點對點鏈路已部署多年，但這些鏈路基本上都是視距系統(tǒng)。這些鏈路的靜態(tài)特性使其易于管理，且系統(tǒng)是最近幾年才發(fā)展起來的，其利用高階調(diào)制方案，支持極高的吞吐速率。該項技術(shù)正在不斷演進中；我們將在5G接入中采用微波鏈路技術(shù)。
最初，人們認識到，若要克服接入系統(tǒng)的傳播難題，就需要采用自適應波束成形。與點對點系統(tǒng)不同，波束成形需適應用戶和環(huán)境，以便向用戶提供有效負載。業(yè)界的普遍共識是：混合MIMO系統(tǒng)將用于微波和低毫米波頻段，而在V頻段和E頻段中——帶寬充足——系統(tǒng)可能僅采用波束成形來實現(xiàn)所需的吞吐速率目標。
圖1. 混合波束成形發(fā)射器功能框圖
圖1顯示了混合波束成形發(fā)射器的高級功能框圖。該圖反過來看便是接收器功能框圖。MIMO編碼在數(shù)字部分執(zhí)行，此外還進行典型數(shù)字無線電處理。可能有多條各種數(shù)據(jù)流饋入天線系統(tǒng)的MIMO路徑會在數(shù)字部分進行處理。針對每一個數(shù)據(jù)流，DAC都會在基帶或中頻(具體取決于所選架構(gòu))將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。信號經(jīng)過上變頻和分路處理后，通過各自的RF通道饋入各個天線。在每條RF通道上，信號配置不同的增益和相位，形成波束并從天線發(fā)出。
雖然功能框圖很簡單，但系統(tǒng)挑戰(zhàn)和權(quán)衡取舍卻很復雜。在這篇篇幅較短的文章中，我們僅討論了部分問題，主要關(guān)注架構(gòu)和無線方面的挑戰(zhàn)。從最開始，到最終實現(xiàn)系統(tǒng)，重要的是須時刻關(guān)注系統(tǒng)的功率、尺寸和成本。
雖然目前這類無線電可以、并且正在使用ADI及其同行公司的分立式(主要是GaAs)器件針對原型5G系統(tǒng)進行搭建，我們尚需像部署蜂窩無線電那樣在微波領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)同樣的高集成度。高集成度和高性能是行業(yè)需要解決的難題。
但僅靠集成度無法解決業(yè)界所面臨的問題。我們需要智能集成。說到集成度，為了利用集成優(yōu)勢，我們需要首先考慮架構(gòu)和分割。這種情況下，還需要考慮到機械和散熱設(shè)計，因為電路布局和基板是息息相關(guān)的。
首先，需要定義有利于集成的架構(gòu)。對于蜂窩基站的高度集成式收發(fā)器IC而言，很多人采用零中頻(ZIF)架構(gòu)以消除或最大程度減少信號路徑上的濾波器。尤其在微波頻率，必須最大程度減少RF濾波器損耗，因為產(chǎn)生RF功率的成本十分高昂。雖然ZIF會減少濾波器問題——當然是以降低LO抑制性能為代價——但我們把問題從物理結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到了信號處理和算法上。這里可以借鑒摩爾定律，因為無源微波結(jié)構(gòu)不遵循這種動態(tài)調(diào)整規(guī)律。要實現(xiàn)目標，就必須利用可同步優(yōu)化模擬和數(shù)字的優(yōu)勢。蜂窩頻率有很多算法與電路技術(shù)可供微波領(lǐng)域借鑒。
接下來討論半導體技術(shù)要求。正如前文所述，一流的微波系統(tǒng)通常采用GaAs元件實現(xiàn)。GaAs多年來一直是微波行業(yè)的主流技術(shù)，但SiGe工藝正在克服高頻工作障礙，以便在多項信號路徑功能上與GaAs一較高下。高性能微波SiGe Bi CMOS工藝具有這些波束成形系統(tǒng)所需的高集成度，惠及很多信號鏈以及輔助控制功能。
取決于每個天線所需的輸出功率，可能需要采用GaAs PA。然而，在微波頻率下甚至GaAs PA都效率較低，因為它們在線性區(qū)域內(nèi)通常會發(fā)生偏移。微波PA的線性化是探索5G時代的必然選擇，此趨勢相比過去有過之而無不及。
那么CMOS又如何呢？ 能否占有一席之地？ 各種文檔都已明確指出，CMOS適合大規(guī)模調(diào)整，這點在60 GHz的WiGig系統(tǒng)中已經(jīng)得到了驗證。考慮到目前尚處于開發(fā)的早期階段，且使用案例也不甚明確，因而很難說CMOS是否、或者何時會用作5G無線電的技術(shù)選擇。首先必須完成很多通道建模和使用案例方面的工作，以便總結(jié)無線電規(guī)格以及未來使用微波CMOS的可行性。
5G系統(tǒng)的最后一個考慮因素是機械設(shè)計和RF IC分割的相互依賴性。由于最小化損耗方面的難題，IC需要采用天線和基板設(shè)計，并考慮分割優(yōu)化。在50 GHz以內(nèi)，天線將是基板的一部分，并且預期路由和部分無源結(jié)構(gòu)可能內(nèi)嵌到基板上。目前有研究機構(gòu)正在研究基板集成波導(SIW)領(lǐng)域，似乎有望實現(xiàn)此種集成結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)將可能在多層層壓的一側(cè)安裝很多RF電路，并路由至前端的天線。RF IC可以以裸片的形式或表貼封裝的形式安裝在這種層壓結(jié)構(gòu)上。在行業(yè)文獻中，將這種結(jié)構(gòu)用于其它應用有著很好的先例。
超過50 GHz時，天線元素和間距就會變得足夠小，可將天線結(jié)構(gòu)封裝在內(nèi)，或集成到封裝上。同樣，這是目前正在研究的方向，它可能推動5G系統(tǒng)的發(fā)展。
無論如何，RF IC和機械結(jié)構(gòu)都必須一并設(shè)計，確保路由的對稱性，并最大程度減少損耗。如果沒有強大的3D建模工具來進行這些設(shè)計所需的大量仿真，那么這些工作一項都不可能完成。
雖然本文擇要介紹了5G為微波行業(yè)帶來的挑戰(zhàn)，但在未來數(shù)年內(nèi)，仍有數(shù)不清的機遇推動RF創(chuàng)新。正如前文所述，嚴格的系統(tǒng)工程通過在整個信號鏈中采用最好的技術(shù)實現(xiàn)最佳的解決方案。從整個行業(yè)來看，從工藝和材料開發(fā)到設(shè)計技巧和建模，再到高頻測試和制造，仍有很多工作需要完成。在實現(xiàn)5G目標的道路上，所有學科都將參與其中。
ADI公司借助其獨有的位到微波功能，為5G微波作出了諸多貢獻。ADI豐富的技術(shù)產(chǎn)品組合以及不斷進步的RF技術(shù)與無線電系統(tǒng)工程的深厚歷史相結(jié)合，使我們處于領(lǐng)先地位，帶領(lǐng)我們的客戶為新興的5G系統(tǒng)開拓新的微波和毫米波頻率解決方案。
正如本文開頭所述，現(xiàn)在成為一名無線領(lǐng)域的RF工程師是一件令人激動的事情。5G才剛剛起步，我們還需要完成大量工作才能在2020年以前實現(xiàn)商用5G無線電網(wǎng)絡。
推薦閱讀：
