5G：微波视角
随着 5g 的崛起，成为一名射频工程师是一个激动人心的时刻。随着我们踏上下一代无线通信系统5g的道路，工程界面临着无数的挑战和机遇。5g代表了移动技术的演变和革命，达到了无线生态系统各个成员迄今为止发布的各种高层次目标。
5g被广泛视为无线的一代，它将使蜂窝扩展到一组全新的使用，案例和垂直市场。虽然5g通常出现在提供超宽带服务的技术中，包括高清和超高清视频流，但5g技术也将使蜂窝进入机器世界。它将有助于自动驾驶汽车，并用于连接数百万个工业传感器和众多可穿戴消费设备，仅举几例。
通往5g的演进路径包括在传统蜂窝频段中逐步增强4g，并将频率扩展到3 ghz至6 ghz范围内的新兴频段。大规模 mimo 具有行业发展势头，将从第一个基于 lte 的系统发展到采用旨在提高吞吐量、延迟和小区效率的新波形。
频谱被视为蜂窝行业的命脉，传统蜂窝频段（sub-6 ghz）中的频谱无法支持未来几年呈指数级增长的需求。因此，目前正在研究6 ghz以上的频段，以测试在6 ghz以上的频率分配中部署无线接入的可行性。虽然6 ghz以下可用的全球频谱约为数百 mhz，但20 ghz以上的潜在频谱量为数十 ghz。驯服该频谱被认为对于实现真正互联世界的5g愿景至关重要。
因此，5g的一部分可能会在更高的频率（可能高达毫米波）上运行，并且可能会采用与lte不向后兼容的新空中接口技术。主要行业参与者之间讨论的频段包括更高的频段，例如 10 ghz、28 ghz、32 ghz、43 ghz、46 ghz 至 50 ghz、56 ghz 至 76 ghz 和 81 ghz 至 86 ghz。然而，这些频段目前处于提案阶段，在无线电系统定义和标准审议之前，信道建模仍有许多工作要完成。国际电联最近发布了一项5g标准化计划，目标是在2020年左右发布第一代imt-2020规范。
鉴于5g仍处于起步阶段，在部署第一批商用系统之前，需要在信道建模，无线电架构定义以及最终芯片组开发方面完成大量工作。但是，已经商定了某些趋势和要求，以及需要解决的问题，这些问题将导致最终的5g系统。
让我们考虑微波和毫米波频率的5g接入系统。在微波频率下实现无线电接入的主要障碍之一是克服不利的传播特性。这些频率的无线电传播受到大气衰减、雨水、阻塞（建筑物、人、树叶）和反射的高度影响。微波点对点链路已经部署多年，但这些通常是视线系统。它们是固定的，这使得链路易于管理，并且近年来已经开发了这些系统，它们使用高阶调制方案支持非常高的吞吐量。这项技术不断发展，我们将利用微波链路技术进入5g接入。
在周期的早期，人们已经认识到需要自适应波束成形来克服接入系统的传播挑战。与点对点系统不同，波束成形需要适应用户和环境，以便向用户提供有效载荷。业界普遍认为，混合mimo系统将用于微波和低毫米波频段，而在带宽充足的v频段和e频段，系统可能只会采用波束成形来达到所需的吞吐量目标。
图1.混合波束成形发射器框图。
图1中的图描绘了混合波束成形发射器的高级框图。接收器可以设想为相反的情况。mimo 编码与典型的数字无线电处理一起在数字部分执行。数字部分可能会处理来自馈送天线系统的各种数据流的大量mimo路径。对于每个数据流，dac根据所选架构将信号转换为基带或if频率的模拟信号。信号被上变频并分成组成rf路径，以馈送单个天线。在每个rf路径中，对信号进行处理以设置增益和相位，以形成天线的波束。
虽然框图很简单，但系统挑战和权衡却很复杂。在这个简短的主题处理中，将只讨论几个问题，但让我们专注于架构和无线电挑战。设计该系统时，从一开始就要考虑到功耗、尺寸和成本，才能将这些系统变为现实，这一点至关重要。
虽然这种无线电目前可以使用adi公司和同行的分立（主要是gaas）器件为原型5g系统构建，但我们需要在微波空间中实现与蜂窝无线电相同的高集成度。高集成度和高性能是行业难以解决的问题。
但仅靠整合并不能解决行业面临的这个问题。它需要智能集成。当我们考虑集成时，我们首先需要考虑架构和分区，以利用 ntegation 的好处。在这种情况下，还需要考虑机械和热设计，因为电路布局和基板是相互关联的。
首先，需要定义一个有利于集成的架构。如果我们考虑用于蜂窝基站的高度集成收发器ic的例子，许多使用零中频（zif）架构来消除或最小化信号路径中的滤波。特别是在微波频率下，必须将rf滤波器中的损耗降至最低，因为rf功率的产生成本很高。虽然zif将减少滤波器问题，当然需要权衡lo抑制，但我们将问题从物理结构转移到信号处理和算法上。在这里，我们可以利用摩尔定律，即无源微波结构不遵循相同的缩放动力学。有必要利用同时优化模拟和数字的能力来实现我们的目标。在蜂窝频率下采用了许多算法和电路技术，可能会给微波空间带来好处。
接下来，考虑半导体技术要求。如上所述，最先进的微波系统通常采用砷化镓组件实现。多年来，砷化镓一直是微波行业的支柱，但sige工艺正在克服高频操作的障碍，在许多信号路径功能方面可与砷化镓相媲美。高性能微波sige bi cmos工艺可实现这些波束成形系统所需的高集成度，包括大部分信号链以及辅助控制功能。
可能需要砷化镓pa，具体取决于每个天线所需的输出功率。然而，即使是砷化镓pa在微波频率下效率低下，因为它们通常偏置于线性区域。微波pa的线性化是5g时代探索的成熟领域，比以往任何时候都更加成熟。
cmos呢？它也是竞争者吗？有据可查的是，cmos适用于大批量缩放，这在60 ghz的wigig系统中得到了证明。鉴于开发的早期阶段和用例的不确定性，目前很难说cmos是否或何时将成为5g无线电的技术选择。首先需要在信道建模和用例中做大量工作，以得出无线电规格以及微波cmos在未来系统中可能适用的位置。
5g系统中的最后一个考虑因素是机械设计和rf ic分区的相互依赖性。考虑到最小化损耗的挑战，ic的设计需要考虑天线和基板，以优化分区。在50 ghz以下，天线将成为基板的一部分，预计布线和一些无源结构可能会嵌入基板中。在基板集成波导（siw）领域正在进行大量研究，这些研究对这种集成结构很有希望。在这种结构中，可以将大部分射频电路安装在多层层压板的一侧，并路由到正面的天线。rf ic可以以芯片形式安装在该层压板上，也可以安装在表面贴装封装中。在工业文献中，有这种结构用于其他应用的很好的例子。
在 50 ghz 以上，天线元件和间距变得足够小，可以将天线结构集成到封装中或封装上。同样，这是一个正在进行的研究领域，可能会推动5g系统向前发展。
无论哪种情况，rf ic和机械结构都必须协同设计，以确保布线的对称性并最大限度地降低损耗。如果没有强大的3d建模工具进行这些设计所需的大量仿真，所有这些工作都是不可能的。
虽然这是对5g给微波行业带来的挑战的简要看法，但未来几年将有无限的机会带来射频创新。如前所述，严格的系统工程方法将通过利用整个信号链中的最佳技术来产生最佳解决方案。作为一个行业，从工艺和材料开发到设计技术和建模，再到高频测试和制造，还有很多工作要做。所有学科在实现5g目标方面都可以发挥作用。
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通往5g的演进路径包括在传统蜂窝频段中逐步增强4g，并将频率扩展到3 ghz至6 ghz范围内的新兴频段。大规模 mimo 具有行业发展势头，将从第一个基于 lte 的系统发展到采用旨在提高吞吐量、延迟和小区效率的新波形。
频谱被视为蜂窝行业的命脉，传统蜂窝频段（sub-6 ghz）中的频谱无法支持未来几年呈指数级增长的需求。因此，目前正在研究6 ghz以上的频段，以测试在6 ghz以上的频率分配中部署无线接入的可行性。虽然6 ghz以下可用的全球频谱约为数百 mhz，但20 ghz以上的潜在频谱量为数十 ghz。驯服该频谱被认为对于实现真正互联世界的5g愿景至关重要。
因此，5g的一部分可能会在更高的频率（可能高达毫米波）上运行，并且可能会采用与lte不向后兼容的新空中接口技术。主要行业参与者之间讨论的频段包括更高的频段，例如 10 ghz、28 ghz、32 ghz、43 ghz、46 ghz 至 50 ghz、56 ghz 至 76 ghz 和 81 ghz 至 86 ghz。然而，这些频段目前处于提案阶段，在无线电系统定义和标准审议之前，信道建模仍有许多工作要完成。国际电联最近发布了一项5g标准化计划，目标是在2020年左右发布第一代imt-2020规范。
鉴于5g仍处于起步阶段，在部署第一批商用系统之前，需要在信道建模，无线电架构定义以及最终芯片组开发方面完成大量工作。但是，已经商定了某些趋势和要求，以及需要解决的问题，这些问题将导致最终的5g系统。
让我们考虑微波和毫米波频率的5g接入系统。在微波频率下实现无线电接入的主要障碍之一是克服不利的传播特性。这些频率的无线电传播受到大气衰减、雨水、阻塞（建筑物、人、树叶）和反射的高度影响。微波点对点链路已经部署多年，但这些通常是视线系统。它们是固定的，这使得链路易于管理，并且近年来已经开发了这些系统，它们使用高阶调制方案支持非常高的吞吐量。这项技术不断发展，我们将利用微波链路技术进入5g接入。
在周期的早期，人们已经认识到需要自适应波束成形来克服接入系统的传播挑战。与点对点系统不同，波束成形需要适应用户和环境，以便向用户提供有效载荷。业界普遍认为，混合mimo系统将用于微波和低毫米波频段，而在带宽充足的v频段和e频段，系统可能只会采用波束成形来达到所需的吞吐量目标。
图1.混合波束成形发射器框图。
图1中的图描绘了混合波束成形发射器的高级框图。接收器可以设想为相反的情况。mimo 编码与典型的数字无线电处理一起在数字部分执行。数字部分可能会处理来自馈送天线系统的各种数据流的大量mimo路径。对于每个数据流，dac根据所选架构将信号转换为基带或if频率的模拟信号。信号被上变频并分成组成rf路径，以馈送单个天线。在每个rf路径中，对信号进行处理以设置增益和相位，以形成天线的波束。
虽然框图很简单，但系统挑战和权衡却很复杂。在这个简短的主题处理中，将只讨论几个问题，但让我们专注于架构和无线电挑战。设计该系统时，从一开始就要考虑到功耗、尺寸和成本，才能将这些系统变为现实，这一点至关重要。
虽然这种无线电目前可以使用adi公司和同行的分立（主要是gaas）器件为原型5g系统构建，但我们需要在微波空间中实现与蜂窝无线电相同的高集成度。高集成度和高性能是行业难以解决的问题。
但仅靠整合并不能解决行业面临的这个问题。它需要智能集成。当我们考虑集成时，我们首先需要考虑架构和分区，以利用 ntegation 的好处。在这种情况下，还需要考虑机械和热设计，因为电路布局和基板是相互关联的。
首先，需要定义一个有利于集成的架构。如果我们考虑用于蜂窝基站的高度集成收发器ic的例子，许多使用零中频（zif）架构来消除或最小化信号路径中的滤波。特别是在微波频率下，必须将rf滤波器中的损耗降至最低，因为rf功率的产生成本很高。虽然zif将减少滤波器问题，当然需要权衡lo抑制，但我们将问题从物理结构转移到信号处理和算法上。在这里，我们可以利用摩尔定律，即无源微波结构不遵循相同的缩放动力学。有必要利用同时优化模拟和数字的能力来实现我们的目标。在蜂窝频率下采用了许多算法和电路技术，可能会给微波空间带来好处。
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可能需要砷化镓pa，具体取决于每个天线所需的输出功率。然而，即使是砷化镓pa在微波频率下效率低下，因为它们通常偏置于线性区域。微波pa的线性化是5g时代探索的成熟领域，比以往任何时候都更加成熟。
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5g系统中的最后一个考虑因素是机械设计和rf ic分区的相互依赖性。考虑到最小化损耗的挑战，ic的设计需要考虑天线和基板，以优化分区。在50 ghz以下，天线将成为基板的一部分，预计布线和一些无源结构可能会嵌入基板中。在基板集成波导（siw）领域正在进行大量研究，这些研究对这种集成结构很有希望。在这种结构中，可以将大部分射频电路安装在多层层压板的一侧，并路由到正面的天线。rf ic可以以芯片形式安装在该层压板上，也可以安装在表面贴装封装中。在工业文献中，有这种结构用于其他应用的很好的例子。
在 50 ghz 以上，天线元件和间距变得足够小，可以将天线结构集成到封装中或封装上。同样，这是一个正在进行的研究领域，可能会推动5g系统向前发展。
无论哪种情况，rf ic和机械结构都必须协同设计，以确保布线的对称性并最大限度地降低损耗。如果没有强大的3d建模工具进行这些设计所需的大量仿真，所有这些工作都是不可能的。
虽然这是对5g给微波行业带来的挑战的简要看法，但未来几年将有无限的机会带来射频创新。如前所述，严格的系统工程方法将通过利用整个信号链中的最佳技术来产生最佳解决方案。作为一个行业，从工艺和材料开发到设计技术和建模，再到高频测试和制造，还有很多工作要做。所有学科在实现5g目标方面都可以发挥作用。
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