5G毫米波无线电射频技术

作者:Thomas Cameron博士,ADI公司通信业务部CTO

简介
业界普遍认为,混合波束赋形(例如图1所示)将是工作在微波和毫米波频率的5G系统的首选架构。这种架构综合运用数字(MIMO) 和模拟波束赋形来克服高路径损耗并提高频谱效率。如图1所示,m个数据流的组合分割到n条RF路径上以形成自由空间中的波束,故天线元件总数为乘积m × n。数字流可通过多种方式组合,既可利用高层MIMO将所有能量导向单个用户,也可以利用多用户MIMO支持多个用户。

图1. 混合波束赋形框图

图1. 混合波束赋形框图

本文将考察一个简单的大规模天线阵列示例,借以探讨毫米波无线电的最优技术选择。现在深入查看毫米波系统无线电部分的框图,我们看到一个经典超外差结构完成微波信号到数字信号的变换, 然后连接到多路射频信号处理路径,这里主要是运用微波移相器和衰减器来实现波束赋形。

传统上,毫米波系统是利用分立器件构建,导致其尺寸较大且成本较高。这样的系统里面的器件使用CMOS、SiGe BiCMOS和GaAs等技术,使每个器件都能得到较优的性能。例如,数据转换器现在采用CMOS工艺开发,使采样速率达到GHz范围。上下变频和波束赋形功能可以在SiGe BiCMOS中有效实现。根据系统指标要求,可能需要基于GaAs功率放大器和低噪声放大器,但如果SiGe BiCMOS能够满足要求,利用它将能实现较高的集成度。

对于5G毫米波系统,业界希望将微波器件安装在天线基板背面,这要求微波芯片的集成度必须大大提高。例如,中心频率为28 GHz的天线的半波阵子间距约为5 mm。频率越高,此间距越小,芯片或封装尺寸因而成为重要考虑因素。理想情况下,单波束的整个框图都应当集成到单个IC中;实际情形中,至少应将上下变频器和RF前端集成到单个RFIC中。集成度和工艺选择在某种程度上是由应用决定的,在下面的示例分析中我们将体会到这一点。

示例分析:天线中心频率为28 GHz,EIRP为60 dBm

此分析考虑一个典型基站天线系统,EIRP要求为60 dBm。使用如下假设条件:

  • 天线阵子增益 = 6 dBi(瞄准线)
  • 波形PAPR = 10 dB(采用QAM的OFDM)
  • P1dB时的功率放大器PAE = 30%
  • 发射/接收开关损耗 = 2 dB
  • 发射/接收占空比 = 70%/30%
  • 数据流 = 8
  • 各电路模块的功耗基于现有技术。
  • 该模型以8个数据流为基础来构建,连接到不同数量的RF链。模型中的天线数量以8的倍数扩大,最多512个元件。

    图2显示了功率放大器线性度随着天线增益提高而变化的情况。注意:由于开关损耗,放大器的输出功率要比提供给天线的功率高2 dB。当给天线增加元件时,方向性增益随着X轴对数值提高而线性提高,因此,各放大器的功耗要求降低。

    为了便于说明,我们在曲线上叠加了技术图,指示哪种技术对不同范围的天线元件数量最佳。注意:不同技术之间存在重叠,这是因为每种技术都有一个适用的值范围。另外,根据工艺和电路设计实践,具体技术可以实现的性能也有一个范围。元件非常少时,各链需要高功率PA(GaN和GaAs),但当元件数量超过200时,P1dB降到20 dBm以下,处于硅工艺可以满足的范围。当元件数量超过500时,PA性能处于当前CMOS技术就能实现的范围。

    图2. 天线增益与功率放大器输出水平要求的关系

    图2. 天线增益与功率放大器输出水平要求的关系

    现在考虑元件增加时天线Tx系统的功耗,如图3所示。同预期一样,功耗与天线增益成反比关系,但有一个限值。超过数百元件时,PA的功耗不再占主导地位,导致效益递减。

    图3. 天线增益与天线Tx部分直流功耗的关系

    图3. 天线增益与天线Tx部分直流功耗的关系

    整个系统的功耗如图4所示(包括发射机和接收机)。同预期一样,接收机的功耗随着RF链的增加而线性提高。若将不断下降的Tx功耗曲线叠加在不断上升的Rx功耗曲线上,我们会观察到一个最低功耗区域。

    本例中,最低值出现在大约128个元件时。回顾图2给出的技术图,要利用128个元件实现60 dBm的EIRP,最佳PA技术是GaAs。

    虽然使用GaAs PA可以实现最低的天线功耗和60 dBm EIRP,但这可能无法满足系统设计的全部要求。前面提到,很多情况下要求将RFIC放在天线元件的λ/2间距以内。使用GaAs发射/接收模块可提供所需的性能,但不满足尺寸约束条件。为了利用GaAs发射/接收模块,需要采用其他封装和布线方案。

    优先选择可能是增加天线元件数量以使用集成到RFIC中的SiGe BiCMOS功率放大器。图4显示,若将元件数量加倍,达到约256时,SiGe放大器便能满足输出功率要求。功耗的增幅很小,而且可以把SiGe BiCMOS RFIC放到天线元件 (28 GHz) 的λ/2间距以内。

    将这一做法扩展到CMOS,我们发现CMOS也能实现整体60 dBm EIRP,但从技术图看,元件数量还要加倍。因此,这种方案会导致尺寸和功耗增加,考虑到电流技术限制,CMOS方法不是可行的选择。

    图4. 整个天线阵列的直流功耗与天线增益的关系

    图4. 整个天线阵列的直流功耗与天线增益的关系

    我们的分析表明:同时考虑功耗和集成尺寸的话,当前实现60dBm EIRP天线的最佳方案是将SiGe BiCMOS技术集成到RFIC中。然而,如果考虑将更低功耗的天线用于CPE,那么CMOS当然是可行的方案。

    这一分析是基于当前可用技术,但毫米波硅工艺和设计技术正在取得重大进步。我们预计未来的硅工艺会有更好的能效和更高的输出功率能力,将能实现更小的尺寸并进一步优化天线尺寸。

    随着5G的到来日益临近,设计人员将持续遇到挑战。为毫米波无线电应用确定最佳技术方案时,考虑信号链的所有方面和不同IC工艺的各种优势是有益的。随着5G生态系统不断发展,ADI公司依托独有的比特到毫米波能力,致力于为客户提供广泛的技术组合(包括各种电路设计工艺)和系统化方法。