【導(dǎo)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(dòng)的事情。在我們通往5G——下一代無(wú)線通信系統(tǒng)——的道路上，工程設(shè)計(jì)社區(qū)有著數(shù)不清的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。5G代表著移動(dòng)技術(shù)的演進(jìn)和革命，已達(dá)到無(wú)線生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)成員迄今發(fā)布的多項(xiàng)高級(jí)別目標(biāo)。
普遍認(rèn)為5G是一代能讓蜂窩網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展至全新使用案例和垂直市場(chǎng)的無(wú)線技術(shù)。雖然5G一般用來(lái)提供超寬帶服務(wù)——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(luò)進(jìn)入機(jī)器世界。它將造福于無(wú)人駕駛汽車，并用來(lái)連接數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的工業(yè)傳感器以及各種可穿戴消費(fèi)電子設(shè)備——此處僅列舉了其中的部分應(yīng)用。
通往5G的革命性道路包括逐步增強(qiáng)傳統(tǒng)蜂窩頻段中的4G，并在頻率上擴(kuò)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(shì)頭，并將從基于LTE的首款系統(tǒng)，演進(jìn)至采用針對(duì)改善吞吐速率、延遲和蜂窩效率而設(shè)計(jì)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(wú)法滿足未來(lái)幾年內(nèi)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的需要。因此，目前正在研究超過(guò)6 GHz的頻段，以便測(cè)試在6 GHz以上頻率分配部署無(wú)線接入的可行性。全球6 GHz以下的總頻譜約為數(shù)百M(fèi)Hz，而20 GHz以上的潛在頻譜則是數(shù)十GHz。掌握這種頻譜對(duì)于實(shí)現(xiàn)真正互連的世界這一5G愿景來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。
因此，某個(gè)5G頻段的工作頻率也許要高很多(可能高達(dá)毫米波)，并有可能采用無(wú)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(jìn)入無(wú)線系統(tǒng)定義和標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化計(jì)劃，目標(biāo)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(gè)商用系統(tǒng)之前還需完成通道建模、無(wú)線架構(gòu)定義，以及最終的芯片組開(kāi)發(fā)。但是，目前已經(jīng)就某些趨勢(shì)和要求達(dá)成了一致，待一些問(wèn)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(shí)施無(wú)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(wú)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(lái)的，其利用高階調(diào)制方案，支持極高的吞吐速率。該項(xiàng)技術(shù)正在不斷演進(jìn)中；我們將在5G接入中采用微波鏈路技術(shù)。
最初，人們認(rèn)識(shí)到，若要克服接入系統(tǒng)的傳播難題，就需要采用自適應(yīng)波束成形。與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)不同，波束成形需適應(yīng)用戶和環(huán)境，以便向用戶提供有效負(fù)載。業(yè)界的普遍共識(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)所需的吞吐速率目標(biāo)。
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(jí)功能框圖。該圖反過(guò)來(lái)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(jìn)行典型數(shù)字無(wú)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(huì)在數(shù)字部分進(jìn)行處理。針對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)流，DAC都會(huì)在基帶或中頻(具體取決于所選架構(gòu))將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過(guò)上變頻和分路處理后，通過(guò)各自的RF通道饋入各個(gè)天線。在每條RF通道上，信號(hào)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(jiǎn)單，但系統(tǒng)挑戰(zhàn)和權(quán)衡取舍卻很復(fù)雜。在這篇篇幅較短的文章中，我們僅討論了部分問(wèn)題，主要關(guān)注架構(gòu)和無(wú)線方面的挑戰(zhàn)。從最開(kāi)始，到最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，重要的是須時(shí)刻關(guān)注系統(tǒng)的功率、尺寸和成本。
雖然目前這類無(wú)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(duì)原型5G系統(tǒng)進(jìn)行搭建，我們尚需像部署蜂窩無(wú)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(wú)法解決業(yè)界所面臨的問(wèn)題。我們需要智能集成。說(shuō)到集成度，為了利用集成優(yōu)勢(shì)，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(jī)械和散熱設(shè)計(jì)，因?yàn)殡娐凡季趾突迨窍⑾⑾嚓P(guān)的。
首先，需要定義有利于集成的架構(gòu)。對(duì)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(hào)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?yàn)楫a(chǎn)生RF功率的成本十分高昂。雖然ZIF會(huì)減少濾波器問(wèn)題——當(dāng)然是以降低LO抑制性能為代價(jià)——但我們把問(wèn)題從物理結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到了信號(hào)處理和算法上。這里可以借鑒摩爾定律，因?yàn)闊o(wú)源微波結(jié)構(gòu)不遵循這種動(dòng)態(tài)調(diào)整規(guī)律。要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，就必須利用可同步優(yōu)化模擬和數(shù)字的優(yōu)勢(shì)。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(lái)討論半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)。GaAs多年來(lái)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(xiàng)信號(hào)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(hào)鏈以及輔助控制功能。
取決于每個(gè)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?yàn)樗鼈冊(cè)诰€性區(qū)域內(nèi)通常會(huì)發(fā)生偏移。微波PA的線性化是探索5G時(shí)代的必然選擇，此趨勢(shì)相比過(guò)去有過(guò)之而無(wú)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(diǎn)在60 GHz的WiGig系統(tǒng)中已經(jīng)得到了驗(yàn)證。考慮到目前尚處于開(kāi)發(fā)的早期階段，且使用案例也不甚明確，因而很難說(shuō)CMOS是否、或者何時(shí)會(huì)用作5G無(wú)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(wú)線電規(guī)格以及未來(lái)使用微波CMOS的可行性。
5G系統(tǒng)的最后一個(gè)考慮因素是機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)，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(yù)期路由和部分無(wú)源結(jié)構(gòu)可能內(nèi)嵌到基板上。目前有研究機(jī)構(gòu)正在研究基板集成波導(dǎo)(SIW)領(lǐng)域，似乎有望實(shí)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(xiàn)中，將這種結(jié)構(gòu)用于其它應(yīng)用有著很好的先例。
超過(guò)50 GHz時(shí)，天線元素和間距就會(huì)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(dòng)5G系統(tǒng)的發(fā)展。
無(wú)論如何，RF IC和機(jī)械結(jié)構(gòu)都必須一并設(shè)計(jì)，確保路由的對(duì)稱性，并最大程度減少損耗。如果沒(méi)有強(qiáng)大的3D建模工具來(lái)進(jìn)行這些設(shè)計(jì)所需的大量仿真，那么這些工作一項(xiàng)都不可能完成。
雖然本文擇要介紹了5G為微波行業(yè)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，但在未來(lái)數(shù)年內(nèi)，仍有數(shù)不清的機(jī)遇推動(dòng)RF創(chuàng)新。正如前文所述，嚴(yán)格的系統(tǒng)工程通過(guò)在整個(gè)信號(hào)鏈中采用最好的技術(shù)實(shí)現(xiàn)最佳的解決方案。從整個(gè)行業(yè)來(lái)看，從工藝和材料開(kāi)發(fā)到設(shè)計(jì)技巧和建模，再到高頻測(cè)試和制造，仍有很多工作需要完成。在實(shí)現(xiàn)5G目標(biāo)的道路上，所有學(xué)科都將參與其中。
ADI公司借助其獨(dú)有的位到微波功能，為5G微波作出了諸多貢獻(xiàn)。ADI豐富的技術(shù)產(chǎn)品組合以及不斷進(jìn)步的RF技術(shù)與無(wú)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(kāi)拓新的微波和毫米波頻率解決方案。
正如本文開(kāi)頭所述，現(xiàn)在成為一名無(wú)線領(lǐng)域的RF工程師是一件令人激動(dòng)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(shí)現(xiàn)商用5G無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)。
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