5G毫米波无线电的射频技术演进

介绍

当无线行业开始创建5G时，2020年似乎很遥远。现在我们正在迅速接近2020年，这肯定会是5G十年。每天都有新的现场试验和即将推出的商用5G的公告。对于无线行业来说，这是一个非常激动人心的时刻。目前，业界大部分5G的重点是增强型移动宽带，利用中频带和高频段频谱的波束成形技术推动越来越高的网络容量和吞吐量。我们也开始看到利用5G网络架构的低延迟特性的用例出现，例如工业自动化。

就在几年前，业界还在讨论将毫米波频谱用于移动通信的可行性，并确定了无线电设计人员面临的挑战。1在短时间内发生了很多事情，该行业从最初的原型到成功的现场试验迅速发展，现在我们正处于首次商用5G毫米波部署的边缘。许多初始部署将用于固定或游牧无线应用，但在不久的将来，我们还将看到毫米波频率的真正移动连接。第一个标准已经到位，技术正在迅速发展，围绕毫米波系统的部署已经进行了大量学习。虽然我们取得了很大进展，但无线电设计师仍面临许多挑战。在本文的其余部分，让我们研究RF设计人员面临的一些挑战。

本文分为三个主要主题。在第一部分中，我们将讨论毫米波通信的一些主要用例，并为随后的分析奠定基础。在第二和第三部分中，我们将深入研究毫米波基站系统的架构和技术。在第二部分中，我们将讨论波束成形器的技术，以及所需的发射功率如何影响系统前端的技术选择。虽然波束形成器在媒体上受到关注，但无线电中还有一个同样重要的部分执行从比特到毫米波频率的转换。我们将介绍系统这一部分的示例信号链，并推荐ADI公司的一些前沿元件，供无线电设计人员考虑。

部署方案和传播注意事项

当我们开发技术时，了解技术最终将如何部署至关重要。在所有工程练习中，都需要做出权衡，并且随着更多的洞察力，可能会出现创造性的创新。我们重点介绍了目前在28 GHz和39 GHz频谱中探索的两种常见场景。

展示了一个固定无线接入（FWA）用例，我们试图向郊区环境中的家庭提供高带宽数据。在这种情况下，基站将位于电线杆或塔上，并且需要覆盖大面积以产生积极的商业案例。在初始部署中，我们假设覆盖范围是室外到室外，因此客户端设备（CPE）安装在室外，并且链路可以设计以确保最佳的无线连接。鉴于天线朝下且用户固定，我们可能不需要大量的垂直转向范围，但发射功率可能相当高，超过 65 dBm EIRP，以最大化覆盖范围并利用现有基础设施。

我们展示了一个密集的城市场景，其中基站将安装在建筑物屋顶或立面上，将来可能会演变为路灯或其他街道安装。无论如何，这种类型的基站都需要垂直扫描能力，以在整个建筑物立面上传递信号，并最终在移动设备出现时向地面上的移动或游牧用户（行人和车辆）传递信号。在这种情况下，发射功率可能不需要像郊区那样高，尽管低辐射玻璃已被证明是室外到室内穿透的一个问题。如图所示，在水平轴和垂直轴上，我们需要更大的光束扫描范围。这里的主要要点是，没有一个放之四海而皆准的解决方案。部署场景将决定波束成形架构，架构将影响射频技术的选择。

功能/技术链接预算 200 m Link @ 28 GHz 800 MHz 带宽	NTSCDownlink （基站）	上行链路 （CPE）
天线元件计数	256	64
总传导扩声功率 （dBm）	33	19
天线增益（分贝）	27	21
发射 EIRP （分贝m）	60	40
路径损耗（分贝）	135	135
接收功率（分贝）	-75	-95
本底热噪声 （dBm）	-85	-85
接收噪声系数 （dB）	5	5
每个接收元件的信噪比 （dB）	5	-15
接收天线增益 （dB）	21	27
波束成形后的接收信噪比 （dB）	26	12

现在，让我们考虑一个实际示例，并推导出一个简单的链路预算来说明毫米波基站的发射功率要求，如表1所示。与蜂窝频率相比，额外的路径损耗是在毫米波频率下需要克服的主要障碍，但阻塞（建筑物、树叶、人等）是另一个需要考虑的主要因素。近年来，关于毫米波频率传播的大量工作报道，文章“第五代（5G）无线网络的毫米波通信概述 - 重点是传播模型”中提供了很好的概述。2讨论和比较了几个模型，说明了路径损耗对环境的依赖性，并比较了视线（LOS）场景与非视线（NLOS）。这里不赘述，我们可以说，一般来说，考虑到所需的覆盖范围和地形，应该考虑固定无线部署的 NLOS 场景。在我们的示例中，我们考虑在郊区部署中具有 200 m 覆盖范围的基站。在这里，我们假设基于室外到室外链路的NLOS路径损耗为135 dB。如果我们试图从室外渗透到室内，那么路径损耗可能会高出30 dB。相反，如果我们假设LOS模型，则路径损耗可能在110 dB左右。

在这种情况下，我们假设基站中有 256 个元件，CPE 中有 64 个元件。在这两种情况下，硅片实现都可以满足输出功率。假定链路是不对称的，这在一定程度上减轻了上行链路预算。在这种情况下，平均链路质量应允许下行链路中的 64 QAM 操作和上行链路中的 16 QAM 操作。如果需要，可以通过增加CPE的发射功率来改善上行链路，直至达到法定的区域限制。如果将链路范围拉伸到500 m，路径损耗将增加到约150 dB。这是可行的，但它使上行链路和下行链路上的无线电更加复杂，功耗将急剧增加。

毫米波波束成形

现在，让我们考虑各种波束成形方法：模拟、数字和混合，如图2所示。我相信我们都熟悉模拟波束成形的概念，因为这个话题近年来在文献中非常流行。在这里，我们有数据转换器将数字信号与宽带基带或IF信号相互转换，连接执行上变频和下变频过程的无线电收发器。在RF（例如，28 GHz）下，我们将单个RF路径分成几条路径，通过控制每条路径的相位来执行波束成形，以便在远场中沿预期用户的方向形成波束。这使得每个数据路径可以控制单个波束，因此理论上我们可以使用这种架构一次为一个用户提供服务。

图2.各种波束成形方法。

数字波束成形器正是它听起来的样子。相移纯粹在数字电路中实现，然后通过收发器阵列馈送到天线阵列。简单地说，每个无线电收发器都连接到单个天线元件，但实际上每个无线电可能有多个天线元件，具体取决于所需的扇区形状。数字方法可实现最高的容量和灵活性，并实现毫米波频率的多用户MIMO路线图，类似于中频系统。它非常复杂，鉴于目前可用的技术，在射频和数字电路中都会消耗过多的直流功率。然而，随着未来技术的发展，毫米波无线电将出现数字波束成形。

短期内最实用和最有效的波束成形方法是混合数字-模拟波束成形器，它基本上结合了数字预编码和模拟波束成形，在一个空间中同时创建多个波束（空间多路复用）。通过将功率引导到具有窄波束的目标用户，基站可以重复使用相同的频谱，在给定时隙中同时为多个用户提供服务。虽然文献中报道了几种不同的混合波束形成器方法，但此处所示的子阵列方法最实际地实现，本质上是模拟波束成形器的步骤和重复。目前，据报道，系统在实践中支持2至8个数字流，可用于同时支持单个用户，或者为较少数量的用户提供2层或更多层的MIMO。

让我们更深入地了解模拟波束成形器的技术选择，模拟波束成形器是构建混合波束成形器的构建模块，如图3所示。对于这里的处理，我们将模拟波束成形系统分为三个模块：数字、比特到毫米波和波束成形器。这不是一个实用系统的分区方式，因为人们会把所有毫米波组件放在很近的地方以减轻损耗，但这种划分的原因很快就会变得明显。

图3.模拟波束成形系统框图。

波束成形器功能由许多因素驱动，包括段形状和范围、功率水平、路径损耗、热约束等，并且是毫米波系统中随着行业学习和成熟而需要一定灵活性的部分。即便如此，仍将继续需要各种发射功率水平来解决从小型蜂窝到宏蜂窝的部署场景。另一方面，基站的比特到毫米波无线电需要的灵活性要小得多，并且在很大程度上可以从当前的Release 15规范中得出。3换句话说，设计人员可以将同一无线电与多种波束成形器配置结合使用。这与当前的蜂窝无线电系统没有什么不同，在当前的蜂窝无线电系统中，小信号部分在各个平台上是通用的，并且前端根据用例更加定制。

我们已经绘制了信号链可能技术的进展，因为我们从数字转向天线。当然，数字和混合信号是在细线体CMOS工艺中产生的。根据基站的要求，整个信号链可以采用CMOS开发，或者更有可能采用多种技术开发，为基站提供最佳性能。例如，常见的配置是使用具有高性能SiGe BiCMOS IF到毫米波转换的CMOS数据转换器。如图所示，波束成形器可以通过多种技术实现，具体取决于系统要求，我们将在下面讨论。根据天线尺寸和发射功率要求的选择，可以实现高度集成的硅方法，也可以是硅波束成形器与分立PA和LNA的组合。

对发射机功率与技术选择之间关系的分析已在以前的著作中提出4,5这里不再深入赘述。但是，为了总结该分析，我们在图 4 中包含一个图表。功率放大器技术的选择基于所需发射器功率、天线增益（元件数量）和所选技术的射频发电能力的综合考虑。如图所示，所需的EIRP可以在前端使用II-V技术（低集成度方法）或使用基于硅的高集成度方法，以更少的天线元件来实现。每种方法都有优点和缺点，实际实施归结为尺寸、重量、直流功耗和成本的工程权衡。为了针对表 1 中得出的情况生成 60 dBm 的 EIRP，请在演示文稿“5G 毫米波无线电的架构和技术”中进行分析5得出的结论是，最佳天线尺寸在128至256个元件之间，砷化镓功率放大器支持较少的元件数，而较大的天线尺寸可以在基于全硅波束成形器RF IC的技术中实现。

图4.EIRP.5

现在让我们从不同的角度来研究这个问题。60 dBm EIRP 是 FWA 常用的 EIRP 目标，但根据基站和周围环境的所需覆盖范围，该数字可以更高或更低。鉴于部署方案的高度变化，无论该区域是树木繁茂，还是由街道峡谷组成，还是广阔的开放空间，都会根据具体情况应对大范围的路径损失。例如，在假设LOS的密集城市部署中，EIRP目标可能低至50 dBm。

FCC 按设备类别提供了定义和发布的规范以及发射功率限制3,6在这里，我们遵循基站的3GPP术语。3如图5所示，设备类别或多或少决定了功率放大器的技术选择。虽然不是一门精确的科学，但我们可以看到移动用户设备（手机）非常适合CMOS技术，相对较低的天线数量可以实现所需的发射器功率。这种类型的无线电需要高度集成和节能，以满足便携式设备的需求。局域网基站（小型蜂窝）和消费类场所设备（可移动电源）具有相似的要求，涵盖从发射器功率要求低端的CMOS到高端的SiGe BiCMOS等一系列技术。中程基站非常适合SiGe BiCMOS技术，以实现紧凑的外形。在高端，对于广域基站，可以应用一系列技术，这归结为天线尺寸和技术成本的权衡。虽然SiGe BiCMOS可以应用于60 dBm EIRP范围，但GaAs或GaN功率放大器更适用于更高功率。

图5.技术适用于基于发射器功率的各种毫米波无线电外形尺寸.5

图 5 中的快照是当前技术，但行业正在取得很大进展，技术也在不断改进。如“5G 毫米波无线电的架构和技术”演示中所述，5设计人员面临的主要挑战之一是提高毫米波功率放大器的直流功率效率。

随着新技术和PA架构的出现，上述曲线将发生变化，更高集成度的结构将可用于高功率基站。

为了总结波束形成器部分，让我们重申上面提出的观点。目前还没有一种放之四海而皆准的方法，可能需要设计各种前端设计来解决从小型蜂窝到宏的各种用例。

毫米波无线电：从比特到毫米波再返回

现在让我们更详细地了解比特到毫米波无线电，并探讨系统这一部分的挑战。将位转换为毫米波并以高保真度转换回来至关重要，以支持高阶调制技术，例如 64 QAM，在未来的系统中可能高达 256 QAM。这些新无线电面临的主要挑战之一是带宽。5G毫米波无线电名义上必须处理1 GHz或更高的带宽，具体取决于频谱在实践中的分配方式。虽然 28 GHz 时的 1 GHz 带宽是较低的相对带宽 （3.5%），但在 3 GHz 的 IF 下，相同的带宽在设计上更具挑战性，并且需要一些前沿技术来实现高性能设计。

图6所示为高性能比特到毫米波无线电框图示例，该框图基于ADI公司广泛的RF和混合信号产品组合中的元件。该信号链已被证明支持28 GHz的连续8× 100 MHz NR载波，具有出色的误差矢量幅度（EVM）性能。

图6.宽带比特到毫米波无线电框图。

让我们考虑一下数据转换器。在图6的示例中，我们显示了直接高中频发射器发射和高中频接收器采样，其中数据转换器以中频发射和接收。中频需要尽可能高，以避免在RF处进行笨拙的镜像滤波，从而将IF频率驱动到3 GHz及以上。幸运的是，领先的数据转换器能够在这个频率下工作。AD9172是一款高性能、双通道、16位DAC，支持高达12.6 GSPS的采样速率。该器件具有 8 通道、15 Gbps JESD204B 数据输入端口、高性能片内 DAC 时钟乘法器和数字信号处理功能，支持宽带和多频段直接生成高达 6 GHz 的射频信号。在接收器中，我们展示了AD9208，这是一款双通道、14位、3 GSPS ADC。该器件具有片内缓冲器和采样保持电路，专为低功耗、小尺寸和易用性而设计。该产品旨在支持能够直接采样高达 5 GHz 的宽带宽模拟信号的通信应用。

在发射和接收IF级中，我们建议使用数字增益放大器，从单通道转换为平衡，反之亦然，以避免使用巴伦。这里我们展示了发射链中的ADL5335和接收链中的ADL5569作为高性能宽带放大器的示例。

针对中频和毫米波之间的上变频和下变频，我们最近推出了硅基宽带上变频器ADMV1013和下变频器ADMV1014。这些宽带频率转换设备的工作频率范围为 24.5 GHz 至 43.5 GHz。这种广泛的频率覆盖范围使设计人员能够通过单个无线电设计解决当前定义的所有5G毫米波频段（3GPP频段n257、n258、n260和n261）。两者都支持高达 6 GHz 的 IF 接口和两种频率转换模式。如图6所示，两款器件均包括一个片内4×本振（LO）乘法器，LO输入范围为5.4 GHz至11.75 GHz。ADMV1013支持从基带I/Q到RF的直接转换和从IF的单边带上变频。它在24 dBm的高输出IP3下提供14 dB的转换增益。如果采用单边带转换实现，如图6所示，该器件可提供25 dB的边带抑制。ADMV1014支持从RF到基带I/Q的直接转换以及镜像抑制下变频到IF。它提供20 dB的转换增益，噪声系数为3.5 dB，输入IP3为–4 dBm。镜像抑制模式下的边带抑制为28 dB。

RF链中的最后一个组件是ADRF5020宽带硅单刀双掷开关。ADRF5020在30 GHz时具有2 dB的低插入损耗和60 dB的高隔离度。

最后，让我们讨论频率源。鉴于本振可能是EVM预算的重要贡献者，因此使用相位噪声极低的源来生成毫米波LO非常重要。

ADF4372是一款宽带微波频率合成器，具有业界领先的集成PLL和超低相位噪声VCO，输出频率为62.5 MHz至16 GHz。当与外部环路滤波器和外部基准频率一起使用时，它允许实现小数N分频或整数N分频锁相环（PLL）频率合成器。对于 100 kHz 偏移，8 GHz 时的 VCO 相位噪声为 –111 dBc/Hz，在 1 MHz 偏移时为 –134 dBc/Hz，令人印象深刻。

图6中的框图对于任何考虑采用28 GHz和39 GHz频段毫米波设计的设计人员来说都是一个很好的起点，适用于需要高性能宽带无线电的各种波束成形前端。ADI公司的RF、微波和毫米波产品选择指南中还列出了许多元件，设计人员可能会对其他信号链架构或类似的高频应用感兴趣。

总结

近年来，毫米波无线电取得了长足的进步，从实验室转移到现场试验，并在未来几个月内启动商业部署。不断发展的生态系统和新兴用例要求波束成形前端具有一定的灵活性，但正如所讨论的，近天线设计有合适的技术和方法可供选择。无线电的宽带特性（比特到毫米波）需要领先的技术，但基于硅的技术正在迅速发展，以满足混合信号和小信号域的要求。基于当前可用的组件，给出了一个高性能无线电设计示例。

审核编辑：郭婷