5G 毫米波无线电的射频技术演进
来源：www.analog.com
作者：Thomas Cameron
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本文分为三个主要主题。在第一部分中，我们将讨论毫米波通信的一些主要用例，并为接下来的分析奠定基础。在第二和第三部分，我们将深入研究毫米波基站系统的架构和技术。在第二部分，我们将讨论波束成形器的技术以及所需的发射功率如何影响系统前端的技术选择。虽然波束形成器受到媒体的关注，但无线电中有一个同样重要的部分执行从比特到毫米波频率的转换。我们将为系统的这一部分提供一个示例信号链，并推荐一些来自 ADI 公司的前沿组件，供无线电设计人员考虑。 部署场景和传播注意事项
当我们开发技术时，了解技术最终将如何部署是至关重要的。在所有的工程练习中，都需要权衡取舍，有了更多的洞察力，创造性的创新可能会出现。在图 1 中，我们重点介绍了当今在 28 GHz 和 39 GHz 频谱中探索的两种常见场景。 图 1a 说明了一个固定无线接入 (FWA) 用例，我们正尝试向郊区环境中的家庭提供高带宽数据。在这种情况下，基站将位于电线杆或塔上，并且需要覆盖大面积以产生积极的商业案例。在初始部署中，我们假设覆盖范围是室外到室外，因此客户驻地设备 (CPE) 安装在室外，并且可以设计链路以确保最佳的空中连接。鉴于天线朝下且用户固定，我们可能不需要大量的垂直转向范围，但发射功率可能相当高，超过 65 dBm EIRP 以最大化覆盖范围并利用现有基础设施。 在图 1b 中，我们展示了一个密集的城市场景，其中基站将安装在建筑物屋顶或立面的地面以下，未来可能会演变为路灯或其他街道水平的安装。在任何情况下，这种类型的基站都需要垂直扫描能力，以在整个建筑物立面上传送信号，并最终随着移动设备的出现而传送到地面上的移动或游牧用户（行人和车辆）。在这种情况下，传输功率可能不需要像郊区那样高，尽管低辐射玻璃已被证明是室外到室内渗透的问题。如图所示，我们将需要在水平轴和垂直轴上的光束扫描范围中具有更大的灵活性。这里的主要收获是，没有一种万能的解决方案。 现在让我们考虑一个实际例子并推导出一个简单的链路预算来说明毫米波基站的发射功率要求，如表 1 所示。与蜂窝频率相比的额外路径损耗是毫米波要克服的主要障碍频率，但阻塞（建筑物、树叶、人等）是另一个需要考虑的主要因素。近年来，有大量关于毫米波频率传播的工作报道，文章“ 第五代 (5G) 无线网络毫米波通信概述 - 重点关注传播模型 ”中提供了一个很好的概述。 2 讨论和比较了几个模型，说明了路径损耗对环境的依赖性，以及视线 (LOS) 场景与非视线 (NLOS) 场景的比较。此处无需详述，我们可以说，一般而言，考虑到所需的覆盖范围和地形，固定无线部署应考虑 NLOS 方案。在我们的示例中，我们考虑在郊区部署中具有 200 m 范围的基站。这里我们假设基于 NLOS 室外到室外链路的路径损耗为 135 dB。如果我们试图从室外穿透到室内，那么路径损耗可能会高出 30 dB。相反，如果我们假设 LOS 模型，则路径损耗可能约为 110 dB。 在这种情况下，我们假设基站中有 256 个元素，CPE 中有 64 个元素。在这两种情况下，输出功率都可以通过硅实现来满足。假设链路是非对称的，这可以减轻上行链路预算。在这种情况下，平均链路质量应该允许下行链路中的 64 QAM 操作和上行链路中的 16 QAM 操作。如果需要，可以通过增加 CPE 的发射功率来改善上行链路，直至达到法定的区域限制。如果将链路延伸到 500 m，路径损耗将增加到大约 150 dB。这是可行的，但它会使上行和下行的无线电更加复杂，并且功耗会急剧增加。 毫米波波束成形 现在让我们考虑波束成形的各种方法：模拟、数字和混合，如图 2 所示。我相信我们都熟悉模拟波束成形的概念，因为该主题近年来在文献中非常流行。在这里，我们有数据转换器将数字信号转换为宽带基带或 IF 信号，并连接执行上变频和下变频过程的无线电收发器。在 RF（例如，28 GHz）下，我们将单个 RF 路径拆分为多个路径，在这些路径中我们通过控制每个路径的相位来执行波束成形，以便在远场中朝着预期用户的方向形成波束。这使得每个数据路径可以控制单个波束，因此理论上我们可以使用这种架构一次为一个用户提供服务。 数字波束成形器正是它听起来的样子。相移完全在数字电路中实现，然后通过收发器阵列馈送到天线阵列。简单地说，每个无线电收发器都连接到单个天线元件，但实际上每个无线电可能有多个天线元件，具体取决于所需的扇区形状。数字方法可实现最高容量和灵活性，并支持毫米波频率下的多用户 MIMO 路线图，类似于中频带系统。它非常复杂，而且鉴于目前可用的技术，它会在 RF 和数字电路中消耗过多的直流功率。然而，随着未来技术的发展，毫米波无线电将出现数字波束成形。 近期最实用、最有效的波束成形方法是混合数模波束成形器，它本质上结合了数字预编码和模拟波束成形，可在一个空间中同时创建多个波束（空间复用）。通过使用窄波束将功率导向目标用户，基站可以重复使用相同的频谱，在给定的时隙内同时为多个用户提供服务。虽然文献中报道了几种不同的混合波束形成器方法，但此处显示的子阵列方法最实用，并且本质上是模拟波束形成器的一个步骤和重复。目前，报告的系统在实践中支持 2 到 8 个数字流，可用于同时支持单个用户， 让我们更深入地研究模拟波束成形器的技术选择，混合波束成形器的构建块如图 3 所示。为了此处的处理，我们将模拟波束成形系统分为三个块：数字、位-到毫米波和波束形成器。这不是实际系统的划分方式，因为我们会将所有毫米波组件靠近放置以减少损耗，但这种划分的原因很快就会变得显而易见。 波束成形器功能受许多因素驱动，包括分段形状和范围、功率水平、路径损耗、热约束等，并且是毫米波系统中需要随着行业学习和成熟而具有一定灵活性的部分。即便如此，仍然需要各种发射功率级别来解决从小型蜂窝到宏的部署场景。另一方面，基站的毫米波无线电比特需要的灵活性要小得多，并且很大程度上可以从当前的第 15 版规范中推导出来。 3 换句话说，设计人员可以将同一个无线电与多个波束成形器配置结合使用。这与当前的蜂窝无线电系统没有什么不同，其中小信号部分在平台上很常见，并且前端针对每个用例进行了更多定制。 随着我们从数字转向天线，我们已经为信号链绘制了可能的技术进展图。当然，数字和混合信号是在细线体CMOS工艺中产生的。根据基站的要求，整个信号链可能采用 CMOS 开发，或者更有可能采用混合技术开发，以便为信号链提供最佳性能。例如，常见的配置是使用具有高性能 SiGe BiCMOS IF 到毫米波转换的 CMOS 数据转换器。波束形成器可以采用如图所示的多种技术实现，具体取决于系统要求，我们将在接下来讨论。根据天线尺寸和发射功率要求的选择，有可能实现高度集成的硅方法， 以前的作品4,5 中 已经介绍了对发射机功率与技术选择之间关系的分析在此不再深入赘述。然而，为了总结分析，我们在图 4 中包含了一个图表。功率放大器技术的选择基于对所需发射器功率、天线增益（元件数量）和射频功率产生能力的综合考虑选定的技术。如图所示，在前端使用 II-V 技术（低集成方法）或通过使用基于硅的高集成方法，可以使用更少的天线元件来实现所需的 EIRP。每种方法都有优点和缺点，实际实施归结为尺寸、重量、直流功耗和成本的工程权衡。要为表 1 中得出的情况生成 60 dBm 的 EIRP， 图 5 得出的结论是，最佳天线尺寸在 128 到 256 个元件之间，较少的数量由 GaAs 功率放大器启用，而较大的数量可在基于全硅波束成形器 RF IC 的技术中实现。 现在让我们从不同的角度来研究这个问题。60 dBm EIRP 是 FWA 常用的 EIRP 目标，但该数字可以更高或更低，具体取决于所需的基站覆盖范围和周围环境。考虑到部署场景的高度变化，无论该区域是树木繁茂，还是由街道峡谷组成，还是广阔的空地，都会有很大范围的路径损耗需要根据具体情况进行处理。例如，在假设 LOS 的密集城市部署中，EIRP 目标可能低至 50 dBm。 FCC 对设备类别 3,6 有定义和发布的规范以及传输功率限制，这里我们遵循基站的 3GPP 术语。 3 如图 5 所示，设备类别或多或少决定了功率放大器的技术选择。虽然不是一门精确的科学，但我们可以看到移动用户设备（手机）非常适合 CMOS 技术，并且相对较少的天线数量可以实现所需的发射机功率。这种类型的无线电需要高度集成和节能，以满足便携式设备的需求。局域基站（小基站）和消费端设备（可移动电源）具有相似的要求，涵盖了从发射器功率要求低端的 CMOS 到高端的 SiGe BiCMOS 的一系列技术。中距离基站非常适合 SiGe BiCMOS 技术，以实现紧凑的外形。在高端，对于广域基站，可以应用一系列技术，这归结为天线尺寸和技术成本的权衡。虽然 SiGe BiCMOS 可应用于 60 dBm EIRP 范围，但 GaAs 或 GaN 功率放大器对于更高功率更实用。 图 5 中的快照是当前技术的快照，但该行业正在取得很大进展，技术也在不断改进。正如“5G 毫米波无线电的架构和技术”演讲中所述， 5 设计人员面临的主要挑战之一是提高毫米波功率放大器的直流电源效率。 随着新技术和 PA 架构的出现，上述曲线将发生变化，大功率基站将采用更高集成度的结构。演讲“ 对近期高效 cmWave 5G 线性功率放大器设计的简短调查”对 PA 技术的进步进行了很好的概述。 7 为了总结波束成形器部分，让我们重申上面的观点。目前没有一种万能的方法，人们可能需要设计各种前端设计来解决从小型蜂窝到宏的各种用例。 毫米波无线电：从比特到毫米波再返回 现在让我们更详细地讨论比特到毫米波无线电，并探讨系统这一部分中的挑战。以高保真度将比特转换为毫米波并返回以支持高阶调制技术（例如 64 QAM 以及可能在未来系统中高达 256 QAM），这一点至关重要。这些新无线电的主要挑战之一是带宽。5G 毫米波无线电名义上必须处理 1 GHz 或可能更高的带宽，具体取决于实际中频谱的分配方式。虽然 28 GHz 时的 1 GHz 带宽是相对较低的 (3.5%) 带宽，但在 3 GHz 中频时的相同带宽对于设计来说更具挑战性，并且需要一些前沿技术来实现高性能设计. 图 6 举例说明了基于 ADI 公司广泛的射频和混合信号产品组合的组件的高性能比特到毫米波无线电的框图示例。该信号链已被证明支持 28 GHz 的连续 8× 100 MHz NR 载波，并具有出色的误差矢量幅度 (EVM) 性能。有关此信号链及其演示性能的更多详细信息，请参见 ADI 公司视频 5G 毫米波基站 。 让我们考虑数据转换器。在图 6 的示例中，我们展示了使用的直接高 IF 发射器发射和高 IF 接收器采样，其中数据转换器以中频发射和接收。IF 需要尽可能高，以避免在 RF 处进行笨拙的图像滤波，从而将 IF 频率驱动到 3 GHz 及以上。幸运的是，前沿数据转换器能够在此频率下运行。的 AD9172 是一种高性能的，双，16位DAC支持采样率高达12.6 GSPS。该器件具有 8 通道、15 Gbps JESD204B 数据输入端口、高性能片上 DAC 时钟乘法器和数字信号处理功能，支持生成高达 6 GHz 的宽带和多频带直接射频信号。在接收器中，我们显示 AD9208 是一款双通道、14 位、3 GSPS ADC。该器件具有片上缓冲器和采样保持电路，专为低功耗、小尺寸和易用性而设计。该产品旨在支持能够直接采样高达 5 GHz 的宽带宽模拟信号的通信应用。 在发射和接收 IF 级，我们建议使用数字增益放大器，从单向转换为平衡，反之亦然，以避免使用巴伦。在这里，我们示出了 ADL5335 在发射链和 ADL5569 在接收链中的高性能宽带放大器的例子。 对于中频和毫米波之间的上变频和下变频，我们最近推出了基于硅的宽带上变频器 ADMV1013 和下变频器 ADMV1014 . 这些宽带频率转换设备的工作频率范围为 24.5 GHz 至 43.5 GHz。这种广泛的频率覆盖使设计人员能够通过单一无线电设计处理当前定义的所有 5G 毫米波频段（3GPP 频段 n257、n258、n260 和 n261）。两者都支持高达 6 GHz 的 IF 接口和两种频率转换模式。如图 6 所示，这两款器件都包含一个片上 4 倍本地振荡器 (LO) 乘法器，LO 输入范围为 5.4 GHz 至 11.75 GHz。ADMV1013 支持从基带 I/Q 到 RF 的直接转换以及从 IF 的单边带上变频。它在 24 dBm 的高输出 IP3 下提供 14 dB 的转换增益。如果在单边带转换中实现，如图 6 所示，该器件可提供 25 dB 的边带抑制。ADMV1014 支持从 RF 到基带 I/Q 的直接转换以及到 IF 的镜像抑制下变频。它提供 20 dB 的转换增益、3.5 dB 的噪声系数和 –4 dBm 的输入 IP3。镜像抑制模式下的边带抑制为 28 dB。 RF 链中的最后一个组件是 ADRF5020 宽带硅 SPDT 开关。ADRF5020 在 30 GHz 时提供 2 dB 的低插入损耗和 60 dB 的高隔离度。 最后，让我们讨论频率源。鉴于本地振荡器可能是 EVM 预算的一个重要贡献者，因此对于毫米波 LO 生成使用相位噪声非常低的源非常重要。 所述 ADF4372 是宽带微波合成器中与16千兆赫能够62.5兆赫的输出业界领先的集成PLL和超低相位噪声VCO。当与外部环路滤波器和外部参考频率一起使用时，它允许实现小数 N 或整数 N 锁相环 (PLL) 频率合成器。8 GHz 时的 VCO 相位噪声在 100 kHz 偏移时为 –111 dBc/Hz，在 1 MHz 偏移时为 –134 dBc/Hz。 图 6 中的框图对于任何考虑 28 GHz 和 39 GHz 频段毫米波设计的设计人员来说都是一个很好的起点，并且适用于需要高性能宽带无线电的各种波束成形前端。ADI 的 射频、微波和毫米波产品选择指南 中还列出了许多组件，设计人员可能会对其他信号链架构或类似高频应用感兴趣。 概括 近年来，毫米波无线电取得了巨大进步，从实验室开始进行现场试验，并在未来几个月推出商业部署。不断发展的生态系统和新兴用例要求波束成形前端具有一定的灵活性，但正如所讨论的，有适合近天线设计的技术和方法可供选择。无线电的宽带特性（比特到毫米波）需要尖端技术，但基于硅的技术正在迅速发展以满足混合信号和小信号领域的要求。已经基于当前可用的组件呈现了一个高性能无线电设计示例。 随着 5G 生态系统的不断发展，ADI 公司将继续采用我们的领先技术和信号链解决方案，使我们的客户能够为新兴的 5G 毫米波市场开发差异化系统。 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首次发布时间：2023-03-16
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