5G毫米波無線電射頻技術(shù)

簡(jiǎn)介

業(yè)界普遍認(rèn)為，混合波束賦形(例如圖1所示)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(gè)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(gè)用戶，也可以利用多用戶MIMO支持多個(gè)用戶。

圖1. 混合波束賦形框圖

本文將考察一個(gè)簡(jiǎn)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，我們看到一個(gè)經(jīng)典超外差結(jié)構(gòu)完成微波信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的變換， 然后連接到多路射頻信號(hào)處理路徑，這里主要是運(yùn)用微波移相器和衰減器來實(shí)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(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)較高的集成度。

對(duì)于5G毫米波系統(tǒng)，業(yè)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(gè)框圖都應(yīng)當(dāng)集成到單個(gè)IC中;實(shí)際情形中，至少應(yīng)將上下變頻器和RF前端集成到單個(gè)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(huì)到這一點(diǎn)。

示例分析：天線中心頻率為28 GHz，EIRP為60 dBm

此分析考慮一個(gè)典型基站天線系統(tǒng)，EIRP要求為60 dBm。使用如下假設(shè)條件：

天線陣子增益 = 6 dBi(瞄準(zhǔn)線)

波形PAPR = 10 dB(采用QAM的OFDM)

P1dB時(shí)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(gè)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(gè)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(shí)，方向性增益隨著X軸對(duì)數(shù)值提高而線性提高，因此，各放大器的功耗要求降低。

為了便于說明，我們?cè)谇€上疊加了技術(shù)圖，指示哪種技術(shù)對(duì)不同范圍的天線元件數(shù)量最佳。注意：不同技術(shù)之間存在重疊，這是因?yàn)槊糠N技術(shù)都有一個(gè)適用的值范圍。另外，根據(jù)工藝和電路設(shè)計(jì)實(shí)踐，具體技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的性能也有一個(gè)范圍。元件非常少時(shí)，各鏈需要高功率PA(GaN和GaAs)，但當(dāng)元件數(shù)量超過200時(shí)，P1dB降到20 dBm以下，處于硅工藝可以滿足的范圍。當(dāng)元件數(shù)量超過500時(shí)，PA性能處于當(dāng)前CMOS技術(shù)就能實(shí)現(xiàn)的范圍。

圖2. 天線增益與功率放大器輸出水平要求的關(guān)系

現(xiàn)在考慮元件增加時(shí)天線Tx系統(tǒng)的功耗，如圖3所示。同預(yù)期一樣，功耗與天線增益成反比關(guān)系，但有一個(gè)限值。超過數(shù)百元件時(shí)，PA的功耗不再占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致效益遞減。

圖3. 天線增益與天線Tx部分直流功耗的關(guān)系

整個(gè)系統(tǒng)的功耗如圖4所示(包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī))。同預(yù)期一樣，接收機(jī)的功耗隨著RF鏈的增加而線性提高。若將不斷下降的Tx功耗曲線疊加在不斷上升的Rx功耗曲線上，我們會(huì)觀察到一個(gè)最低功耗區(qū)域。

本例中，最低值出現(xiàn)在大約128個(gè)元件時(shí)。回顧圖2給出的技術(shù)圖，要利用128個(gè)元件實(shí)現(xiàn)60 dBm的EIRP，最佳PA技術(shù)是GaAs。

雖然使用GaAs PA可以實(shí)現(xiàn)最低的天線功耗和60 dBm EIRP，但這可能無法滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全部要求。前面提到，很多情況下要求將RFIC放在天線元件的λ/2間距以內(nèi)。使用GaAs發(fā)射/接收模塊可提供所需的性能，但不滿足尺寸約束條件。為了利用GaAs發(fā)射/接收模塊，需要采用其他封裝和布線方案。

優(yōu)先選擇可能是增加天線元件數(shù)量以使用集成到RFIC中的SiGe BiCMOS功率放大器。圖4顯示，若將元件數(shù)量加倍，達(dá)到約256時(shí)，SiGe放大器便能滿足輸出功率要求。功耗的增幅很小，而且可以把SiGe BiCMOS RFIC放到天線元件 (28 GHz) 的λ/2間距以內(nèi)。

將這一做法擴(kuò)展到CMOS，我們發(fā)現(xiàn)CMOS也能實(shí)現(xiàn)整體60 dBm EIRP，但從技術(shù)圖看，元件數(shù)量還要加倍。因此，這種方案會(huì)導(dǎo)致尺寸和功耗增加，考慮到電流技術(shù)限制，CMOS方法不是可行的選擇。

圖4. 整個(gè)天線陣列的直流功耗與天線增益的關(guān)系

我們的分析表明：同時(shí)考慮功耗和集成尺寸的話，當(dāng)前實(shí)現(xiàn)60dBm EIRP天線的最佳方案是將SiGe BiCMOS技術(shù)集成到RFIC中。然而，如果考慮將更低功耗的天線用于CPE，那么CMOS當(dāng)然是可行的方案。

這一分析是基于當(dāng)前可用技術(shù)，但毫米波硅工藝和設(shè)計(jì)技術(shù)正在取得重大進(jìn)步。我們預(yù)計(jì)未來的硅工藝會(huì)有更好的能效和更高的輸出功率能力，將能實(shí)現(xiàn)更小的尺寸并進(jìn)一步優(yōu)化天線尺寸。

隨著5G的到來日益臨近，設(shè)計(jì)人員將持續(xù)遇到挑戰(zhàn)。為毫米波無線電應(yīng)用確定最佳技術(shù)方案時(shí)，考慮信號(hào)鏈的所有方面和不同IC工藝的各種優(yōu)勢(shì)是有益的。隨著5G生態(tài)系統(tǒng)不斷發(fā)展，ADI公司依托獨(dú)有的比特到毫米波能力，致力于為客戶提供廣泛的技術(shù)組合(包括各種電路設(shè)計(jì)工藝)和系統(tǒng)化方法。