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高频段5G终端射频实现与挑战

高频段5G终端射频实现与挑战

 

 

5G频谱规划情况

目前国际上考虑可能应用到5G的频谱分为6 GHz以下频段(sub-6 GHz)和6 GHz以上频段( 高频段),其中6 GHz以下频段包括了目前移动通信的频段及3 GHz至6 GHz频段,高频段主要集中在30 GHz、40 GHz、70 GHz以及80 GHz附近。

 

在频谱规划上,各国家重点有所不同。美国、日本、韩国等国家着力推进28 GHz毫米波频段用于热点高容量及最后一公里接入。我国及欧盟重点推动sub-6 GHz频段用于广覆盖。欧盟将3.4 GHz—3.8 GHz作为主力频段,也计划将700 MHz频段用于广覆盖。国内来讲,3.4 GHz—3.6 GHz已经确定为5G试验频段,3.3 GHz—3.4 GHz、4.4 GHz—4.5 GHz、4.8 GHz—4.99 GHz等也有望成为5G潜在频段。虽然6 GHz以上的高频段尚未明确,但由于其存在大量的可用频谱,及早启动对高频段研究和器件准备对于5G发展也有重要意义,因此本文接下来将基于5G频谱规划情况,对高频段5G终端射频的实现与挑战进行分析。

 

 

高频段传输信道

 

6 GHz以上的高频段信道不同于sub-6 GHz信道,其具有传播损耗大、传播方向性强以及空间相关性高等特点。

 

如图1所示,30 GHz波段相比2.6 GHz,传播损耗高37 dB左右,穿透损耗高12 dB左右,这导致毫米波频段最有可能用作热点覆盖而不是广覆盖,这对终端提出了更高的要求,即需要有更高的发射功率或具备更多的天线(下一章节将讨论射频器件的性能,从中可以分析出高频段的射频器件性能会有所降低,这也导致终端多天线构成的波束赋形成为必选方案,这一部分将在4.2节做进一步的讨论)。

图1  传播损耗及穿透损耗情况

 

通过信道测量也发现,6 GHz以上的高频段具有更强的传播方向性,其散射及折射特性弱、多径特征不明显,这也意味着其不适合高阶MIMO的使用。此外,从表1可以看到,6 GHz以上的高频段的时延扩展、角度扩展低,导致毫米波频段具有更高的空间相关性,无法实现单用户多流数据传输。

 

 

高频段射频性能

 

第2节中提到,高频段的传播损耗增加导致小区覆盖减小,要求终端具备更高的发射功率,而6 GHz以上的高频段射频器件相比sub-6 GHz其性能更加恶化,典型问题是相位噪声增加、输出信号射频指标恶化。从图2可以看到,30 GHz相位噪声相比3 GHz会恶化高达20 dB。

图2  相位噪声对比

 

相位噪声指系统( 如各种射频器件) 在各种噪声作用下引起的系统输出信号相位的随机变化,通常描述射频信号的三要素是幅度、频率、相位。频率和相位相互影响,理想情况下,固定频率的无线信号波动周期是固定的,但实际情况是信号总有一定的频谱展宽,这个展宽的无用信号叫边带信号,也叫相位噪声。相位噪声的大小可以反映出射频器件的优劣:相位噪声越小,射频器件越好;而频率越高,相位噪声越严重。毫米波终端射频器件性能比sub-6 GHz差。

 

以终端射频功率放大器(PA)为例,目前主要采用GaAs材料,PA效率在sub-6 GHz可达30%~40%,而在6 GHz以上PA效率降到10%左右。此外,PA最大输出功率也从28 dBm降低到了24 dBm以下,再考虑到6 GHz以上的高频段射频器件具有更高的插入损耗,终端的实际发射功率能力大大降低。如何提升PA效率及最大输出功率能力是摆在业界的一个难题,后续需要在材料或制作工艺上进行改进,如GaN等。GaN相比GaAs可以有更高的输出功率(如50 dBm),但其要求的供电电压需在10 V以上,如何在终端产品上进行应用有待进一步研究。不同频段PA输出功率及效率如表2所示:

 

表2  不同频段PA输出功率及效率

                           

                    不同频段PA效率如图3所示:

除PA外,滤波器工艺在毫米波频段也需要改变。3 GHz以下,滤波器主流工艺包括SAW(声表面波滤波器)、BAW(体声波滤波器)和FBAR(薄膜体声滤波器)。SAW是比较常用的普通滤波器,可满足一般需求。对于滤波要求较高的场合(如B40和Wi-Fi共存)则需要用到BAW和FBAR。

 

以上工艺的内部电极间距和频率成反比。6 GHz以上的高频段频段由于电极间距过小,温度升高极易导致电极短路,此外毫米波也有小型化的要求,使得以上三种工艺已不再适用。但目前毫米波频段的无线系统很少,使得对带外辐射等指标的要求降低,可以考虑采用低温共烧陶瓷(LTCC)滤波器以及PCB走线模拟LC滤波器等。

 

 

高频段终端射频实现

 

4.1 总体架构

                                   图4  一次变频结构示意图

                                   图5 二次变频结构示意图

 

4.2 天线子系统

 

                             图6 毫米波频段天线子系统结构
                         图7  手机天线布局示意图
                                 图8  毫米波天线布局

图9  单载波与多载波射频复杂度对比

 

 

结论

由本文分析可知,6 GHz以上的高频段由于传播及穿透损耗增大,使得终端需具备多天线等上行增强方案来克服小区覆盖减弱的问题,空间信道粒子性增强波动性减弱的问题也导致了上下行高阶MIMO的实现困难。此外,高频段射频器件工艺及性能等都不同于4G低频段,相位噪声的增加使得终端射频器件性能有所降低,PA的材料将依然采用GaAs而输出功率及效率却不及低频段,滤波器SAW及BAW等在低频段广泛应用的工艺也不再适用于高频段,这些新的特点都将要求终端的射频架构做出调整。毫米波终端的射频架构将不得不采用新的二次变频方案,多天线构成的波束赋形将是终端的必选,大带宽也使得我们不得不思考成本与收益的平衡,如此种种都需要整个产业做进一步的研究,才能快速推动5G的顺利商用。

 
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