- 借助适应性波束成形技术 5G系统克服微波传播挑战

虽然方块图是简单的，但系统的挑战和权衡取舍却十分复杂。在本文中只会讨论到几个问题，但请将注意力集中于架构和无线电方面的挑战。要从头将此一系统实现出来，十分重要的是，在整个系统的设计过程中，必须要多加思考电源、尺寸大小和成本等因素。

虽然这种无线电系统现在可用半导体厂商的分离式组件如砷化镓(GaAs)设计制造出来，以应用在原型的5G系统中，但须要带来同样等级的高整合性，以适应如在蜂巢式无线电所实现的微波空间。高整合度和高性能便是业界所要解决的棘手问题。

但单是整合并非业界目前所面临到问题的解决方案。它必须是有智慧的整合。想到整合，首先要考虑到架构和分区(Partition)，以充分利用整合的效益。在此一情况下，还须考虑到机械和热设计，因为电路布局和基板(Substrate)是相互关联的。

首先，要先将有利于整合的架构界定清楚。以蜂巢式基地台中高度整合收发芯片为例子；如果考虑这个例子，许多系统会采用零中频(Zero IF, ZIF)架构，以便省掉讯号路径中的滤波组件，或将用量减到最少。特别是在微波频率下，工程师一定要尽量减少射频滤波器的损耗，因为要产生射频功率的费用是很昂贵的。虽然ZIF可减少滤波器的问题(当然交换条件是LO抑制)，但便将问题从物理结构转移到讯号处理和算法。在这里，可以借用摩尔定律，但被动的微波结构并未遵循与摩尔定律相同的尺度动态(Scaling Dynamics)。为了要达成目标，充分利用同时优化模拟和数字的能力，是有必要的。市面上有很多应用在蜂巢式频率的算法和电路技术，这可能为微波空间带来一些效益。

提高讯号链整合度　硅锗制程功不可没
其次是，考虑半导体技术的要求。如上所述，先进的微波系统通常是以GaAs组件来实现。多年以来，GaAs一直是微波产业唯一的支柱，但在很多讯号路径的功能上，硅锗(SiGe)制程已克服许多砷化镓的高频运作障碍。高性能的微波硅锗双互补式金属氧化物半导体(CMOS)制程实现这些包括很多讯号链以及辅助控制功能的波束成形系统所需的高整合度。

GaAs功率放大器(PA)也许是需要的，视每一天线所需的输出功率而定。然而，即使GaAs在微波频率时也是效率差的，因为在线性区时，它们一般都会被偏压(Biased)。前所未有地，在5G时代，对微波PA线性化探索的时机已经成熟。

CMOS怎么样？它也是竞争者吗？众所周知，CMOS适合大批量的缩放，而这也在60GHz的WiGig系统中获得证实。考虑到目前仍然处于发展的早期阶段及使用案例的不确定性，关于如果或何时CMOS将成为5G无线电的技术选择这一点，仍然很难说。在通道建模和使用方式方面，仍有很多工作须率先完成，才能决定无线电的规格，以及微波CMOS适合放在未来系统中的何处。

共同设计射频IC/机械结构　藉以避免损失
5G系统中的最后考虑是机械设计和射频集成电路(IC)分区之间的互依性(Interdependency)。鉴于尽量减少损失所面临的挑战，在IC设计时便须多加考虑天线与基底，以优化分区。低于50GHz时，天线将是基底的一部分，路由和一些被动结构预料将会嵌入在基底中。目前在基底整合波导(SIW)领域正有诸多研究正在进行，这让此整合式结构看起来很有前途。在此结构中，要将很多的射频电路黏着在多层层板(Laminate)的一侧，再路由到前正面的天线，这是可能的。射频IC将以裸晶的形式或表面黏着封装的形式黏着在该层板上。在记载针对其他应用所开发的这一类结构的业界文献中，可找到一些好例子。

50GHz以上，天线单元和间距变得够小，因此便有可能将天线结构整合在封装之中或之上。而且这也是正在如火如荼进行的研究领域，它将推动5G系统进一步发展。

在任一情况下，射频IC及机械结构必须共同设计，以确保路由时的对称性及尽量减少损失。此一工作没有强大的3D建模工具是不可能完成的，因为这些设计须广泛模拟。

虽然针对5G为微波产业所带来的挑战，这只是一简要的观点，但在未来几年，无限的商机将带来推陈出新的射频创新。如前文所述，借着在整条讯号链上都采用最佳的技术，严密的系统工程方法将可产生出最适宜的解决方案。从制程和材料发展到设计技术和建模，到高频率测试和制造，所有这些要如同一整个产业般来完成许多尚未完成的工作。在到达5G目标的路上，所有学科都有其要扮演的角色。