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高頻段5G終端射頻實現與挑戰

高頻段5G終端射頻實現與挑戰

 

 

5G頻譜規劃情況

目前國際上考慮可能應用到5G的頻譜分為6 GHz以下頻段(sub-6 GHz)和6 GHz以上頻段( 高頻段),其中6 GHz以下頻段包括了目前移動通信的頻段及3 GHz至6 GHz頻段,高頻段主要集中在30 GHz、40 GHz、70 GHz以及80 GHz附近。

 

在頻譜規劃上,各國家重點有所不同。美國、日本、韓國等國家著力推進28 GHz毫米波頻段用于熱點高容量及最后一公里接入。我國及歐盟重點推動sub-6 GHz頻段用于廣覆蓋。歐盟將3.4 GHz—3.8 GHz作為主力頻段,也計劃將700 MHz頻段用于廣覆蓋。國內來講,3.4 GHz—3.6 GHz已經確定為5G試驗頻段,3.3 GHz—3.4 GHz、4.4 GHz—4.5 GHz、4.8 GHz—4.99 GHz等也有望成為5G潛在頻段。雖然6 GHz以上的高頻段尚未明確,但由于其存在大量的可用頻譜,及早啟動對高頻段研究和器件準備對于5G發展也有重要意義,因此本文接下來將基于5G頻譜規劃情況,對高頻段5G終端射頻的實現與挑戰進行分析。

 

 

高頻段傳輸信道

 

6 GHz以上的高頻段信道不同于sub-6 GHz信道,其具有傳播損耗大、傳播方向性強以及空間相關性高等特點。

 

如圖1所示,30 GHz波段相比2.6 GHz,傳播損耗高37 dB左右,穿透損耗高12 dB左右,這導致毫米波頻段最有可能用作熱點覆蓋而不是廣覆蓋,這對終端提出了更高的要求,即需要有更高的發射功率或具備更多的天線(下一章節將討論射頻器件的性能,從中可以分析出高頻段的射頻器件性能會有所降低,這也導致終端多天線構成的波束賦形成為必選方案,這一部分將在4.2節做進一步的討論)。

圖1  傳播損耗及穿透損耗情況

 

通過信道測量也發現,6 GHz以上的高頻段具有更強的傳播方向性,其散射及折射特性弱、多徑特征不明顯,這也意味著其不適合高階MIMO的使用。此外,從表1可以看到,6 GHz以上的高頻段的時延擴展、角度擴展低,導致毫米波頻段具有更高的空間相關性,無法實現單用戶多流數據傳輸。

 

 

高頻段射頻性能

 

第2節中提到,高頻段的傳播損耗增加導致小區覆蓋減小,要求終端具備更高的發射功率,而6 GHz以上的高頻段射頻器件相比sub-6 GHz其性能更加惡化,典型問題是相位噪聲增加、輸出信號射頻指標惡化。從圖2可以看到,30 GHz相位噪聲相比3 GHz會惡化高達20 dB。

圖2  相位噪聲對比

 

相位噪聲指系統( 如各種射頻器件) 在各種噪聲作用下引起的系統輸出信號相位的隨機變化,通常描述射頻信號的三要素是幅度、頻率、相位。頻率和相位相互影響,理想情況下,固定頻率的無線信號波動周期是固定的,但實際情況是信號總有一定的頻譜展寬,這個展寬的無用信號叫邊帶信號,也叫相位噪聲。相位噪聲的大小可以反映出射頻器件的優劣:相位噪聲越小,射頻器件越好;而頻率越高,相位噪聲越嚴重。毫米波終端射頻器件性能比sub-6 GHz差。

 

以終端射頻功率放大器(PA)為例,目前主要采用GaAs材料,PA效率在sub-6 GHz可達30%~40%,而在6 GHz以上PA效率降到10%左右。此外,PA最大輸出功率也從28 dBm降低到了24 dBm以下,再考慮到6 GHz以上的高頻段射頻器件具有更高的插入損耗,終端的實際發射功率能力大大降低。如何提升PA效率及最大輸出功率能力是擺在業界的一個難題,后續需要在材料或制作工藝上進行改進,如GaN等。GaN相比GaAs可以有更高的輸出功率(如50 dBm),但其要求的供電電壓需在10 V以上,如何在終端產品上進行應用有待進一步研究。不同頻段PA輸出功率及效率如表2所示:

 

表2  不同頻段PA輸出功率及效率

                           

                    不同頻段PA效率如圖3所示:

除PA外,濾波器工藝在毫米波頻段也需要改變。3 GHz以下,濾波器主流工藝包括SAW(聲表面波濾波器)、BAW(體聲波濾波器)和FBAR(薄膜體聲濾波器)。SAW是比較常用的普通濾波器,可滿足一般需求。對于濾波要求較高的場合(如B40和Wi-Fi共存)則需要用到BAW和FBAR。

 

以上工藝的內部電極間距和頻率成反比。6 GHz以上的高頻段頻段由于電極間距過小,溫度升高極易導致電極短路,此外毫米波也有小型化的要求,使得以上三種工藝已不再適用。但目前毫米波頻段的無線系統很少,使得對帶外輻射等指標的要求降低,可以考慮采用低溫共燒陶瓷(LTCC)濾波器以及PCB走線模擬LC濾波器等。

 

 

高頻段終端射頻實現

 

4.1 總體架構

                                   圖4  一次變頻結構示意圖

                                   圖5 二次變頻結構示意圖

 

4.2 天線子系統

 

                             圖6 毫米波頻段天線子系統結構
                         圖7  手機天線布局示意圖
                                 圖8  毫米波天線布局

圖9  單載波與多載波射頻復雜度對比

 

 

結論

由本文分析可知,6 GHz以上的高頻段由于傳播及穿透損耗增大,使得終端需具備多天線等上行增強方案來克服小區覆蓋減弱的問題,空間信道粒子性增強波動性減弱的問題也導致了上下行高階MIMO的實現困難。此外,高頻段射頻器件工藝及性能等都不同于4G低頻段,相位噪聲的增加使得終端射頻器件性能有所降低,PA的材料將依然采用GaAs而輸出功率及效率卻不及低頻段,濾波器SAW及BAW等在低頻段廣泛應用的工藝也不再適用于高頻段,這些新的特點都將要求終端的射頻架構做出調整。毫米波終端的射頻架構將不得不采用新的二次變頻方案,多天線構成的波束賦形將是終端的必選,大帶寬也使得我們不得不思考成本與收益的平衡,如此種種都需要整個產業做進一步的研究,才能快速推動5G的順利商用。

 
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