高頻段5G終端射頻實(shí)現(xiàn)與挑戰(zhàn)

邢金強(qiáng)++馬帥++肖善鵬

【摘 要】高頻段（大于6 GHz）由于資源較豐富，各國家都將其作為后續(xù)5G部署的重點(diǎn)頻段，但高頻段具有與目前移動(dòng)通信使用頻段不同的特性，給終端射頻的實(shí)現(xiàn)帶來了挑戰(zhàn)，因此基于5G頻譜規(guī)劃情況，首先分析了高頻段大傳播損耗等的空間傳播特性，進(jìn)一步研究了高頻段功率放大器等終端射頻器件材料工藝及性能的變化，以及對(duì)射頻架構(gòu)及天線子系統(tǒng)等產(chǎn)生的影響，最后提出了可能的5G終端射頻實(shí)現(xiàn)架構(gòu)。

【關(guān)鍵詞】5G終端 射頻 高頻段

1 5G頻譜規(guī)劃情況

目前國際上考慮可能應(yīng)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(dòng)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(guī)劃上，各國家重點(diǎn)有所不同。美國、日本、韓國等國家著力推進(jìn)28 GHz毫米波頻段用于熱點(diǎn)高容量及最后一公里接入。我國及歐盟重點(diǎn)推動(dòng)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(jì)劃將700 MHz頻段用于廣覆蓋。國內(nèi)來講，3.4 GHz—3.6 GHz已經(jīng)確定為5G試驗(yàn)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(dòng)對(duì)高頻段研究和器件準(zhǔn)備對(duì)于5G發(fā)展也有重要意義，因此本文接下來將基于5G頻譜規(guī)劃情況，對(duì)高頻段5G終端射頻的實(shí)現(xiàn)與挑戰(zhàn)進(jìn)行分析。

2 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(qiáng)以及空間相關(guān)性高等特點(diǎn)。

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(dǎo)致毫米波頻段最有可能用作熱點(diǎn)覆蓋而不是廣覆蓋，這對(duì)終端提出了更高的要求，即需要有更高的發(fā)射功率或具備更多的天線（下一章節(jié)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(huì)有所降低，這也導(dǎo)致終端多天線構(gòu)成的波束賦形成為必選方案，這一部分將在4.2節(jié)做進(jìn)一步的討論）。

通過信道測(cè)量也發(fā)現(xiàn)，6 GHz以上的高頻段具有更強(qiáng)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(shí)延擴(kuò)展、角度擴(kuò)展低，導(dǎo)致毫米波頻段具有更高的空間相關(guān)性，無法實(shí)現(xiàn)單用戶多流數(shù)據(jù)傳輸。

3 高頻段射頻性能

第2節(jié)中提到，高頻段的傳播損耗增加導(dǎo)致小區(qū)覆蓋減小，要求終端具備更高的發(fā)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(hào)射頻指標(biāo)惡化。從圖2可以看到，30 GHz相位噪聲相比3 GHz會(huì)惡化高達(dá)20 dB。

相位噪聲指系統(tǒng)（如各種射頻器件）在各種噪聲作用下引起的系統(tǒng)輸出信號(hào)相位的隨機(jī)變化，通常描述射頻信號(hào)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(hào)波動(dòng)周期是固定的，但實(shí)際情況是信號(hào)總有一定的頻譜展寬，這個(gè)展寬的無用信號(hào)叫邊帶信號(hào)，也叫相位噪聲。相位噪聲的大小可以反映出射頻器件的優(yōu)劣：相位噪聲越小，射頻器件越好；而頻率越高，相位噪聲越嚴(yán)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(dá)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(shí)際發(fā)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(yè)界的一個(gè)難題，后續(xù)需要在材料或制作工藝上進(jìn)行改進(jìn)，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(chǎn)品上進(jìn)行應(yīng)用有待進(jìn)一步研究。不同頻段PA輸出功率及效率如表2所示：

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(duì)于濾波要求較高的場(chǎng)合（如B40和Wi-Fi共存）則需要用到BAW和FBAR。

以上工藝的內(nèi)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(dǎo)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(tǒng)很少，使得對(duì)帶外輻射等指標(biāo)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。

4 高頻段終端射頻實(shí)現(xiàn)

4.1 總體架構(gòu)

影響終端射頻架構(gòu)的因素有很多，包括工作頻段、雙工模式、上下行流數(shù)、天線類型、AD/DA等器件的能力都會(huì)對(duì)終端射頻架構(gòu)產(chǎn)生比較大的影響。

從工作頻段和射頻器件能力角度看，現(xiàn)在LTE終端廣泛采用的零中頻架構(gòu)（一次變頻，如圖4所示）將不再適用6 GHz以上的高頻段，更可能采用二次變頻方案（如圖5所示），即先將信號(hào)變頻到中頻（sub-6 GHz），然后再經(jīng)過一次變頻到6 GHz以上的高頻段。在下行接收時(shí)先經(jīng)過一次下變頻到中頻，然后經(jīng)過二次變頻到基帶。為減少插損并降低射頻復(fù)雜度，預(yù)計(jì)后續(xù)射頻芯片會(huì)將二次變頻能力進(jìn)行集成。

4.2 天線子系統(tǒng)

多天線是實(shí)現(xiàn)MIMO技術(shù)的必備條件。在第二部分已提到高頻段的傳播損耗及穿透損耗都遠(yuǎn)高于sub-6 GHz頻段，這將導(dǎo)致高頻段小區(qū)的覆蓋相比sub-6 GHz頻段會(huì)減小很多。此外，如第三部分提到的，高頻段終端的射頻器件性能及成熟度都弱于sub-6 GHz頻段，PA效率降低、輸出功率不足也進(jìn)一步縮小了網(wǎng)絡(luò)的上行覆蓋。因此，在毫米波頻段，終端將采用更多的天線構(gòu)成天線陣，利用波束賦形增益來克服網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足的問題。如圖6所示，典型的毫米波多天線子系統(tǒng)由移相器網(wǎng)絡(luò)和天線陣列構(gòu)成，移相器網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)對(duì)映射到陣列天線的相位進(jìn)行調(diào)整以實(shí)現(xiàn)波束賦形。

在sub-6 GHz頻段上，目前LTE終端具備一發(fā)兩收天線，能夠支持2×2MIMO。但目前手機(jī)已包含多達(dá)6個(gè)天線單元，如圖7所示，即LTE主天線、LTE輔天線、GSM天線、Wi-Fi/藍(lán)牙天線、GPS天線、NFC天線等，受終端尺寸和天線擺放位置的限制，在sub-6 GHz支持更多天線會(huì)是一個(gè)難點(diǎn)。相比之下，在高頻段多天線設(shè)計(jì)將變得相對(duì)容易。

高頻段天線尺寸比sub-6 GHz頻段天線小很多且將更多采用集成芯片天線陣，因此擺放位置更加靈活。如圖8所示，對(duì)于CPE等固定無線接入終端天線陣可以全位于背板，對(duì)于手機(jī)可以將多天線陣劃分為幾組分別位于手機(jī)頂部或側(cè)面等。此外，高頻段天線和sub-6 GHz天線共基板疊加設(shè)計(jì)也是潛在的解決方案，可有效緩解手機(jī)天線擺放的困難。

4.3 帶寬支持能力

前面提到，相對(duì)sub-6 GHz來說，毫米波頻段具有更多的可用頻譜，將采用更大的系統(tǒng)帶寬（如100 MHz—1 GHz）來實(shí)現(xiàn)更高的小區(qū)容量和峰值速率，而大帶寬將導(dǎo)致終端實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜。

終端對(duì)大帶寬的支持將有兩種方式，即單載波支持大帶寬或多載波支持大帶寬。

對(duì)于采用單載波支持100 MHz大帶寬的方式。首先，要求終端的PA及射頻芯片（RFIC）能夠支持100 MHz以上的工作帶寬。目前RFIC可實(shí)現(xiàn)對(duì)100 MHz帶寬的支持，但PA工作帶寬僅設(shè)計(jì)為40 MHz以支持上行CA，無法達(dá)到100 MHz的大帶寬。以目前的工藝可能難以用一個(gè)射頻鏈路實(shí)現(xiàn)100 MHz以上甚至1 GHz的工作帶寬，需要重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括工藝的改進(jìn)等。

其次，大帶寬會(huì)導(dǎo)致AD/DA的采樣率成倍增加，這帶來功耗及成本的大幅增加。

再次，大帶寬也意味著大的數(shù)據(jù)傳輸速率，這對(duì)基帶處理能力也提出了很高的要求。

相比之下，多載波支持大帶寬可能是一個(gè)更為容易實(shí)現(xiàn)的方案。但多載波需要多個(gè)射頻通道并行工作，射頻的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和成本將成倍增加。如圖9所示，多載波射頻架構(gòu)相比單載波其鎖相環(huán)、濾波器、乘法器、ADC等都成倍增加。

5 結(jié)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(qiáng)方案來克服小區(qū)覆蓋減弱的問題，空間信道粒子性增強(qiáng)波動(dòng)性減弱的問題也導(dǎo)致了上下行高階MIMO的實(shí)現(xiàn)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(yīng)用的工藝也不再適用于高頻段，這些新的特點(diǎn)都將要求終端的射頻架構(gòu)做出調(diào)整。毫米波終端的射頻架構(gòu)將不得不采用新的二次變頻方案，多天線構(gòu)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(gè)產(chǎn)業(yè)做進(jìn)一步的研究，才能快速推動(dòng)5G的順利商用。

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