介紹

當(dāng)無線行業(yè)開始創(chuàng)建5G時，2020年似乎很遙遠(yuǎn)。現(xiàn)在我們正在迅速接近2020年，這肯定會是5G十年。每天都有新的現(xiàn)場試驗(yàn)和即將推出的商用5G的公告。對于無線行業(yè)來說，這是一個非常激動人心的時刻。目前，業(yè)界大部分5G的重點(diǎn)是增強(qiáng)型移動寬帶，利用中頻帶和高頻段頻譜的波束成形技術(shù)推動越來越高的網(wǎng)絡(luò)容量和吞吐量。我們也開始看到利用5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的低延遲特性的用例出現(xiàn)，例如工業(yè)自動化。

就在幾年前，業(yè)界還在討論將毫米波頻譜用于移動通信的可行性，并確定了無線電設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)。1在短時間內(nèi)發(fā)生了很多事情，該行業(yè)從最初的原型到成功的現(xiàn)場試驗(yàn)迅速發(fā)展，現(xiàn)在我們正處于首次商用5G毫米波部署的邊緣。許多初始部署將用于固定或游牧無線應(yīng)用，但在不久的將來，我們還將看到毫米波頻率的真正移動連接。第一個標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)到位，技術(shù)正在迅速發(fā)展，圍繞毫米波系統(tǒng)的部署已經(jīng)進(jìn)行了大量學(xué)習(xí)。雖然我們?nèi)〉昧撕艽筮M(jìn)展，但無線電設(shè)計(jì)師仍面臨許多挑戰(zhàn)。在本文的其余部分，讓我們研究RF設(shè)計(jì)人員面臨的一些挑戰(zhàn)。

本文分為三個主要主題。在第一部分中，我們將討論毫米波通信的一些主要用例，并為隨后的分析奠定基礎(chǔ)。在第二和第三部分中，我們將深入研究毫米波基站系統(tǒng)的架構(gòu)和技術(shù)。在第二部分中，我們將討論波束成形器的技術(shù)，以及所需的發(fā)射功率如何影響系統(tǒng)前端的技術(shù)選擇。雖然波束形成器在媒體上受到關(guān)注，但無線電中還有一個同樣重要的部分執(zhí)行從比特到毫米波頻率的轉(zhuǎn)換。我們將介紹系統(tǒng)這一部分的示例信號鏈，并推薦ADI公司的一些前沿元件，供無線電設(shè)計(jì)人員考慮。

部署方案和傳播注意事項(xiàng)

當(dāng)我們開發(fā)技術(shù)時，了解技術(shù)最終將如何部署至關(guān)重要。在所有工程練習(xí)中，都需要做出權(quán)衡，并且隨著更多的洞察力，可能會出現(xiàn)創(chuàng)造性的創(chuàng)新。我們重點(diǎn)介紹了目前在28 GHz和39 GHz頻譜中探索的兩種常見場景。

展示了一個固定無線接入（FWA）用例，我們試圖向郊區(qū)環(huán)境中的家庭提供高帶寬數(shù)據(jù)。在這種情況下，基站將位于電線桿或塔上，并且需要覆蓋大面積以產(chǎn)生積極的商業(yè)案例。在初始部署中，我們假設(shè)覆蓋范圍是室外到室外，因此客戶端設(shè)備（CPE）安裝在室外，并且鏈路可以設(shè)計(jì)以確保最佳的無線連接。鑒于天線朝下且用戶固定，我們可能不需要大量的垂直轉(zhuǎn)向范圍，但發(fā)射功率可能相當(dāng)高，超過 65 dBm EIRP，以最大化覆蓋范圍并利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施。

我們展示了一個密集的城市場景，其中基站將安裝在建筑物屋頂或立面上，將來可能會演變?yōu)槁窡艋蚱渌值腊惭b。無論如何，這種類型的基站都需要垂直掃描能力，以在整個建筑物立面上傳遞信號，并最終在移動設(shè)備出現(xiàn)時向地面上的移動或游牧用戶（行人和車輛）傳遞信號。在這種情況下，發(fā)射功率可能不需要像郊區(qū)那樣高，盡管低輻射玻璃已被證明是室外到室內(nèi)穿透的一個問題。如圖所示，在水平軸和垂直軸上，我們需要更大的光束掃描范圍。這里的主要要點(diǎn)是，沒有一個放之四海而皆準(zhǔn)的解決方案。部署場景將決定波束成形架構(gòu)，架構(gòu)將影響射頻技術(shù)的選擇。

現(xiàn)在，讓我們考慮一個實(shí)際示例，并推導(dǎo)出一個簡單的鏈路預(yù)算來說明毫米波基站的發(fā)射功率要求，如表1所示。與蜂窩頻率相比，額外的路徑損耗是在毫米波頻率下需要克服的主要障礙，但阻塞（建筑物、樹葉、人等）是另一個需要考慮的主要因素。近年來，關(guān)于毫米波頻率傳播的大量工作報(bào)道，文章“第五代（5G）無線網(wǎng)絡(luò)的毫米波通信概述 - 重點(diǎn)是傳播模型”中提供了很好的概述。2討論和比較了幾個模型，說明了路徑損耗對環(huán)境的依賴性，并比較了視線（LOS）場景與非視線（NLOS）。這里不贅述，我們可以說，一般來說，考慮到所需的覆蓋范圍和地形，應(yīng)該考慮固定無線部署的 NLOS 場景。在我們的示例中，我們考慮在郊區(qū)部署中具有 200 m 覆蓋范圍的基站。在這里，我們假設(shè)基于室外到室外鏈路的NLOS路徑損耗為135 dB。如果我們試圖從室外滲透到室內(nèi)，那么路徑損耗可能會高出30 dB。相反，如果我們假設(shè)LOS模型，則路徑損耗可能在110 dB左右。

在這種情況下，我們假設(shè)基站中有 256 個元件，CPE 中有 64 個元件。在這兩種情況下，硅片實(shí)現(xiàn)都可以滿足輸出功率。假定鏈路是不對稱的，這在一定程度上減輕了上行鏈路預(yù)算。在這種情況下，平均鏈路質(zhì)量應(yīng)允許下行鏈路中的 64 QAM 操作和上行鏈路中的 16 QAM 操作。如果需要，可以通過增加CPE的發(fā)射功率來改善上行鏈路，直至達(dá)到法定的區(qū)域限制。如果將鏈路范圍拉伸到500 m，路徑損耗將增加到約150 dB。這是可行的，但它使上行鏈路和下行鏈路上的無線電更加復(fù)雜，功耗將急劇增加。

毫米波波束成形

現(xiàn)在，讓我們考慮各種波束成形方法：模擬、數(shù)字和混合，如圖2所示。我相信我們都熟悉模擬波束成形的概念，因?yàn)檫@個話題近年來在文獻(xiàn)中非常流行。在這里，我們有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號與寬帶基帶或IF信號相互轉(zhuǎn)換，連接執(zhí)行上變頻和下變頻過程的無線電收發(fā)器。在RF（例如，28 GHz）下，我們將單個RF路徑分成幾條路徑，通過控制每條路徑的相位來執(zhí)行波束成形，以便在遠(yuǎn)場中沿預(yù)期用戶的方向形成波束。這使得每個數(shù)據(jù)路徑可以控制單個波束，因此理論上我們可以使用這種架構(gòu)一次為一個用戶提供服務(wù)。

圖2.各種波束成形方法。

數(shù)字波束成形器正是它聽起來的樣子。相移純粹在數(shù)字電路中實(shí)現(xiàn)，然后通過收發(fā)器陣列饋送到天線陣列。簡單地說，每個無線電收發(fā)器都連接到單個天線元件，但實(shí)際上每個無線電可能有多個天線元件，具體取決于所需的扇區(qū)形狀。數(shù)字方法可實(shí)現(xiàn)最高的容量和靈活性，并實(shí)現(xiàn)毫米波頻率的多用戶MIMO路線圖，類似于中頻系統(tǒng)。它非常復(fù)雜，鑒于目前可用的技術(shù)，在射頻和數(shù)字電路中都會消耗過多的直流功率。然而，隨著未來技術(shù)的發(fā)展，毫米波無線電將出現(xiàn)數(shù)字波束成形。

短期內(nèi)最實(shí)用和最有效的波束成形方法是混合數(shù)字-模擬波束成形器，它基本上結(jié)合了數(shù)字預(yù)編碼和模擬波束成形，在一個空間中同時創(chuàng)建多個波束（空間多路復(fù)用）。通過將功率引導(dǎo)到具有窄波束的目標(biāo)用戶，基站可以重復(fù)使用相同的頻譜，在給定時隙中同時為多個用戶提供服務(wù)。雖然文獻(xiàn)中報(bào)道了幾種不同的混合波束形成器方法，但此處所示的子陣列方法最實(shí)際地實(shí)現(xiàn)，本質(zhì)上是模擬波束成形器的步驟和重復(fù)。目前，據(jù)報(bào)道，系統(tǒng)在實(shí)踐中支持2至8個數(shù)字流，可用于同時支持單個用戶，或者為較少數(shù)量的用戶提供2層或更多層的MIMO。

讓我們更深入地了解模擬波束成形器的技術(shù)選擇，模擬波束成形器是構(gòu)建混合波束成形器的構(gòu)建模塊，如圖3所示。對于這里的處理，我們將模擬波束成形系統(tǒng)分為三個模塊：數(shù)字、比特到毫米波和波束成形器。這不是一個實(shí)用系統(tǒng)的分區(qū)方式，因?yàn)槿藗儠阉泻撩撞ńM件放在很近的地方以減輕損耗，但這種劃分的原因很快就會變得明顯。

圖3.模擬波束成形系統(tǒng)框圖。

波束成形器功能由許多因素驅(qū)動，包括段形狀和范圍、功率水平、路徑損耗、熱約束等，并且是毫米波系統(tǒng)中隨著行業(yè)學(xué)習(xí)和成熟而需要一定靈活性的部分。即便如此，仍將繼續(xù)需要各種發(fā)射功率水平來解決從小型蜂窩到宏蜂窩的部署場景。另一方面，基站的比特到毫米波無線電需要的靈活性要小得多，并且在很大程度上可以從當(dāng)前的Release 15規(guī)范中得出。3換句話說，設(shè)計(jì)人員可以將同一無線電與多種波束成形器配置結(jié)合使用。這與當(dāng)前的蜂窩無線電系統(tǒng)沒有什么不同，在當(dāng)前的蜂窩無線電系統(tǒng)中，小信號部分在各個平臺上是通用的，并且前端根據(jù)用例更加定制。

我們已經(jīng)繪制了信號鏈可能技術(shù)的進(jìn)展，因?yàn)槲覀儚臄?shù)字轉(zhuǎn)向天線。當(dāng)然，數(shù)字和混合信號是在細(xì)線體CMOS工藝中產(chǎn)生的。根據(jù)基站的要求，整個信號鏈可以采用CMOS開發(fā)，或者更有可能采用多種技術(shù)開發(fā)，為基站提供最佳性能。例如，常見的配置是使用具有高性能SiGe BiCMOS IF到毫米波轉(zhuǎn)換的CMOS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。如圖所示，波束成形器可以通過多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)，具體取決于系統(tǒng)要求，我們將在下面討論。根據(jù)天線尺寸和發(fā)射功率要求的選擇，可以實(shí)現(xiàn)高度集成的硅方法，也可以是硅波束成形器與分立PA和LNA的組合。

對發(fā)射機(jī)功率與技術(shù)選擇之間關(guān)系的分析已在以前的著作中提出4,5這里不再深入贅述。但是，為了總結(jié)該分析，我們在圖 4 中包含一個圖表。功率放大器技術(shù)的選擇基于所需發(fā)射器功率、天線增益（元件數(shù)量）和所選技術(shù)的射頻發(fā)電能力的綜合考慮。如圖所示，所需的EIRP可以在前端使用II-V技術(shù)（低集成度方法）或使用基于硅的高集成度方法，以更少的天線元件來實(shí)現(xiàn)。每種方法都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，實(shí)際實(shí)施歸結(jié)為尺寸、重量、直流功耗和成本的工程權(quán)衡。為了針對表 1 中得出的情況生成 60 dBm 的 EIRP，請?jiān)谘菔疚母濉?G 毫米波無線電的架構(gòu)和技術(shù)”中進(jìn)行分析5得出的結(jié)論是，最佳天線尺寸在128至256個元件之間，砷化鎵功率放大器支持較少的元件數(shù)，而較大的天線尺寸可以在基于全硅波束成形器RF IC的技術(shù)中實(shí)現(xiàn)。

圖4.EIRP.5

現(xiàn)在讓我們從不同的角度來研究這個問題。60 dBm EIRP 是 FWA 常用的 EIRP 目標(biāo)，但根據(jù)基站和周圍環(huán)境的所需覆蓋范圍，該數(shù)字可以更高或更低。鑒于部署方案的高度變化，無論該區(qū)域是樹木繁茂，還是由街道峽谷組成，還是廣闊的開放空間，都會根據(jù)具體情況應(yīng)對大范圍的路徑損失。例如，在假設(shè)LOS的密集城市部署中，EIRP目標(biāo)可能低至50 dBm。

FCC 按設(shè)備類別提供了定義和發(fā)布的規(guī)范以及發(fā)射功率限制3,6在這里，我們遵循基站的3GPP術(shù)語。3如圖5所示，設(shè)備類別或多或少決定了功率放大器的技術(shù)選擇。雖然不是一門精確的科學(xué)，但我們可以看到移動用戶設(shè)備（手機(jī)）非常適合CMOS技術(shù)，相對較低的天線數(shù)量可以實(shí)現(xiàn)所需的發(fā)射器功率。這種類型的無線電需要高度集成和節(jié)能，以滿足便攜式設(shè)備的需求。局域網(wǎng)基站（小型蜂窩）和消費(fèi)類場所設(shè)備（可移動電源）具有相似的要求，涵蓋從發(fā)射器功率要求低端的CMOS到高端的SiGe BiCMOS等一系列技術(shù)。中程基站非常適合SiGe BiCMOS技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)緊湊的外形。在高端，對于廣域基站，可以應(yīng)用一系列技術(shù)，這歸結(jié)為天線尺寸和技術(shù)成本的權(quán)衡。雖然SiGe BiCMOS可以應(yīng)用于60 dBm EIRP范圍，但GaAs或GaN功率放大器更適用于更高功率。

圖5.技術(shù)適用于基于發(fā)射器功率的各種毫米波無線電外形尺寸.5

圖 5 中的快照是當(dāng)前技術(shù)，但行業(yè)正在取得很大進(jìn)展，技術(shù)也在不斷改進(jìn)。如“5G 毫米波無線電的架構(gòu)和技術(shù)”演示中所述，5設(shè)計(jì)人員面臨的主要挑戰(zhàn)之一是提高毫米波功率放大器的直流功率效率。

隨著新技術(shù)和PA架構(gòu)的出現(xiàn)，上述曲線將發(fā)生變化，更高集成度的結(jié)構(gòu)將可用于高功率基站。

為了總結(jié)波束形成器部分，讓我們重申上面提出的觀點(diǎn)。目前還沒有一種放之四海而皆準(zhǔn)的方法，可能需要設(shè)計(jì)各種前端設(shè)計(jì)來解決從小型蜂窩到宏的各種用例。

毫米波無線電：從比特到毫米波再返回

現(xiàn)在讓我們更詳細(xì)地了解比特到毫米波無線電，并探討系統(tǒng)這一部分的挑戰(zhàn)。將位轉(zhuǎn)換為毫米波并以高保真度轉(zhuǎn)換回來至關(guān)重要，以支持高階調(diào)制技術(shù)，例如 64 QAM，在未來的系統(tǒng)中可能高達(dá) 256 QAM。這些新無線電面臨的主要挑戰(zhàn)之一是帶寬。5G毫米波無線電名義上必須處理1 GHz或更高的帶寬，具體取決于頻譜在實(shí)踐中的分配方式。雖然 28 GHz 時的 1 GHz 帶寬是較低的相對帶寬 （3.5%），但在 3 GHz 的 IF 下，相同的帶寬在設(shè)計(jì)上更具挑戰(zhàn)性，并且需要一些前沿技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高性能設(shè)計(jì)。

圖6所示為高性能比特到毫米波無線電框圖示例，該框圖基于ADI公司廣泛的RF和混合信號產(chǎn)品組合中的元件。該信號鏈已被證明支持28 GHz的連續(xù)8× 100 MHz NR載波，具有出色的誤差矢量幅度（EVM）性能。

圖6.寬帶比特到毫米波無線電框圖。

讓我們考慮一下數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。在圖6的示例中，我們顯示了直接高中頻發(fā)射器發(fā)射和高中頻接收器采樣，其中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以中頻發(fā)射和接收。中頻需要盡可能高，以避免在RF處進(jìn)行笨拙的鏡像濾波，從而將IF頻率驅(qū)動到3 GHz及以上。幸運(yùn)的是，領(lǐng)先的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器能夠在這個頻率下工作。AD9172是一款高性能、雙通道、16位DAC，支持高達(dá)12.6 GSPS的采樣速率。該器件具有 8 通道、15 Gbps JESD204B 數(shù)據(jù)輸入端口、高性能片內(nèi) DAC 時鐘乘法器和數(shù)字信號處理功能，支持寬帶和多頻段直接生成高達(dá) 6 GHz 的射頻信號。在接收器中，我們展示了AD9208，這是一款雙通道、14位、3 GSPS ADC。該器件具有片內(nèi)緩沖器和采樣保持電路，專為低功耗、小尺寸和易用性而設(shè)計(jì)。該產(chǎn)品旨在支持能夠直接采樣高達(dá) 5 GHz 的寬帶寬模擬信號的通信應(yīng)用。

在發(fā)射和接收IF級中，我們建議使用數(shù)字增益放大器，從單通道轉(zhuǎn)換為平衡，反之亦然，以避免使用巴倫。這里我們展示了發(fā)射鏈中的ADL5335和接收鏈中的ADL5569作為高性能寬帶放大器的示例。

針對中頻和毫米波之間的上變頻和下變頻，我們最近推出了硅基寬帶上變頻器ADMV1013和下變頻器ADMV1014。這些寬帶頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備的工作頻率范圍為 24.5 GHz 至 43.5 GHz。這種廣泛的頻率覆蓋范圍使設(shè)計(jì)人員能夠通過單個無線電設(shè)計(jì)解決當(dāng)前定義的所有5G毫米波頻段（3GPP頻段n257、n258、n260和n261）。兩者都支持高達(dá) 6 GHz 的 IF 接口和兩種頻率轉(zhuǎn)換模式。如圖6所示，兩款器件均包括一個片內(nèi)4×本振（LO）乘法器，LO輸入范圍為5.4 GHz至11.75 GHz。ADMV1013支持從基帶I/Q到RF的直接轉(zhuǎn)換和從IF的單邊帶上變頻。它在24 dBm的高輸出IP3下提供14 dB的轉(zhuǎn)換增益。如果采用單邊帶轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)，如圖6所示，該器件可提供25 dB的邊帶抑制。ADMV1014支持從RF到基帶I/Q的直接轉(zhuǎn)換以及鏡像抑制下變頻到IF。它提供20 dB的轉(zhuǎn)換增益，噪聲系數(shù)為3.5 dB，輸入IP3為–4 dBm。鏡像抑制模式下的邊帶抑制為28 dB。

RF鏈中的最后一個組件是ADRF5020寬帶硅單刀雙擲開關(guān)。ADRF5020在30 GHz時具有2 dB的低插入損耗和60 dB的高隔離度。

最后，讓我們討論頻率源。鑒于本振可能是EVM預(yù)算的重要貢獻(xiàn)者，因此使用相位噪聲極低的源來生成毫米波LO非常重要。

ADF4372是一款寬帶微波頻率合成器，具有業(yè)界領(lǐng)先的集成PLL和超低相位噪聲VCO，輸出頻率為62.5 MHz至16 GHz。當(dāng)與外部環(huán)路濾波器和外部基準(zhǔn)頻率一起使用時，它允許實(shí)現(xiàn)小數(shù)N分頻或整數(shù)N分頻鎖相環(huán)（PLL）頻率合成器。對于 100 kHz 偏移，8 GHz 時的 VCO 相位噪聲為 –111 dBc/Hz，在 1 MHz 偏移時為 –134 dBc/Hz，令人印象深刻。

圖6中的框圖對于任何考慮采用28 GHz和39 GHz頻段毫米波設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)人員來說都是一個很好的起點(diǎn)，適用于需要高性能寬帶無線電的各種波束成形前端。ADI公司的RF、微波和毫米波產(chǎn)品選擇指南中還列出了許多元件，設(shè)計(jì)人員可能會對其他信號鏈架構(gòu)或類似的高頻應(yīng)用感興趣。

總結(jié)

近年來，毫米波無線電取得了長足的進(jìn)步，從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場試驗(yàn)，并在未來幾個月內(nèi)啟動商業(yè)部署。不斷發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)和新興用例要求波束成形前端具有一定的靈活性，但正如所討論的，近天線設(shè)計(jì)有合適的技術(shù)和方法可供選擇。無線電的寬帶特性（比特到毫米波）需要領(lǐng)先的技術(shù)，但基于硅的技術(shù)正在迅速發(fā)展，以滿足混合信號和小信號域的要求。基于當(dāng)前可用的組件，給出了一個高性能無線電設(shè)計(jì)示例。

審核編輯：郭婷