下一代5G網(wǎng)絡(luò)的愿景是相比現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)，在容量、覆蓋范圍和連接性方面實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)提升，同時(shí)大大降低運(yùn)營(yíng)商和用戶的每bit數(shù)據(jù)成本。

5G新無(wú)線電(NR)標(biāo)準(zhǔn)化第一階段的重點(diǎn)是定義一種無(wú)線電接入技術(shù)（RAT），利用新的寬帶頻率分配（包括6GHz以下和24GHz以上的頻段），以實(shí)現(xiàn)國(guó)際移動(dòng)通信2020年及之后的愿景展望中提出的大峰值吞吐量和低延時(shí)。

圖1：5G使用案例

FWA部署

通過(guò)利用NR RAT，尤其是在毫米波頻段方面實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商只需花費(fèi)傳統(tǒng)電纜和光纖到戶設(shè)施的一小部分時(shí)間和成本即可向家庭、公寓和企業(yè)提供千兆固定無(wú)線接入(FWA)服務(wù)。FWA描述了一個(gè)集中的分扇區(qū)的BTS與多個(gè)固定或移動(dòng)用戶之間的無(wú)線連接，如圖2所示。

圖2：城市郊區(qū)環(huán)境中的FWA

以任意城市郊區(qū)為例，假設(shè)每平方公里有800個(gè)家庭，BTS站點(diǎn)間距離（ISD）為500m，運(yùn)營(yíng)商需要設(shè)置至少9個(gè)蜂窩站點(diǎn)，形成23個(gè)扇區(qū)。此時(shí)，每個(gè)扇區(qū)覆蓋約35個(gè)家庭。如果提供1Gbps服務(wù)且網(wǎng)絡(luò)超額利用率為目前的5倍，那么每個(gè)BTS的容量約為5Gbps，對(duì)應(yīng)每個(gè)扇區(qū)平均BTS總?cè)萘繛?Gbps，可以提供400MHz的帶寬。再假設(shè)該郊區(qū)有35%的用戶簽約使用1Gbps服務(wù)，費(fèi)用為100美元/月，則收入為14000美元/扇區(qū)/年，177000美元/平方公里/年。

由此可見(jiàn)，較大的覆蓋范圍對(duì)于成功實(shí)現(xiàn)FWA商業(yè)化至關(guān)重要，運(yùn)營(yíng)商也會(huì)要求設(shè)備供應(yīng)商構(gòu)建能夠再最高規(guī)定限值下運(yùn)行的BTS和CPE設(shè)備，以最大限度地提高覆蓋率和盈利能力。這樣一來(lái)，在運(yùn)營(yíng)商預(yù)期的成本、尺寸、重量和功率預(yù)算范圍內(nèi)構(gòu)建符合這些目標(biāo)要求的系統(tǒng)成為一大挑戰(zhàn)。選擇適當(dāng)?shù)那岸思軜?gòu)和RF半導(dǎo)體技術(shù)是應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。

按列饋電陣列

新興的毫米波有源天線均采用了兩種主要平面架構(gòu)，即「按列饋電陣列」和「全硅陣列」。

圖3：射頻前端位于陣外的按列饋電陣列

圖3是按列饋電陣列的典型架構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，控制IC位于陣列外部、進(jìn)行一對(duì)一驅(qū)動(dòng)；列中所有單元增益/相位設(shè)置統(tǒng)一。控制IC與發(fā)射單元之間一般采取并聯(lián)饋電結(jié)構(gòu)。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，圖3只展示了4*4的情況；實(shí)際生產(chǎn)中，行列可選取任意數(shù)字。

由于控制IC位于陣列外，因而可以采用高射頻功率的GaAs或GaN來(lái)驅(qū)動(dòng)陣列，使得每個(gè)單元都具備極高的射頻功率，從而實(shí)現(xiàn)小陣列高發(fā)射EIRP。還可通過(guò)同時(shí)驅(qū)動(dòng)天線柱的頂端和底端得到雙極化陣列。

該架構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)有：

每個(gè)單元都具備高射頻功率；

每N列只需要N條控制IC射頻電路；

由于IC位于陣列區(qū)域之外，不需要受到其尺寸限制。

最后一點(diǎn)對(duì)GaAs或GaN工藝來(lái)說(shuō)非常重要，因?yàn)檫@兩種半導(dǎo)體工藝的集成度有限，無(wú)法將控制元件整合到毫米波陣列的λ/2范圍中。當(dāng)然，這一點(diǎn)也隨之為射頻前端組件帶來(lái)了插入損耗，因?yàn)榭刂艻C需要通過(guò)饋線來(lái)傳輸發(fā)射單元的射頻能量。

雖然發(fā)射端的插入損耗可以通過(guò)增加少量的有源單元即可彌補(bǔ)，但是接收端卻要增加一倍的數(shù)量。造成這種情況的原因有兩點(diǎn)：

接收端G/T值滿足10log(N)，其中N為陣列中單元個(gè)數(shù)，因此前端的損耗需要更多單元才能補(bǔ)償。

根據(jù)饋電損耗和接收機(jī)噪聲系數(shù)值的不同，饋電損耗對(duì)G/T的影響可能會(huì)超過(guò)1dB/dB。這意味著饋電損耗每產(chǎn)生1dB的變化，G/T便會(huì)降低1.5到2dB。縱然基于GaAs或GaN的按列饋電平面陣列具有較高的EIRP，但其接收性能很成問(wèn)題。

按列饋電架構(gòu)的另一個(gè)缺陷在于它只能支持一維波束導(dǎo)向缺少二維波束導(dǎo)向?qū)τ谇捌诘?G固定無(wú)線接入應(yīng)用來(lái)說(shuō)還不算大事；但對(duì)中低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)（LEO/MEO SATCOM）、移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)及城區(qū)密集的5G小基站而言，二維掃描能力是必需的，按列饋電架構(gòu)便不合適了。

采用GaAs和GaN工藝實(shí)現(xiàn)控制IC還有一大問(wèn)題便是無(wú)法對(duì)電路的振幅和相位變化進(jìn)行自補(bǔ)償。組件間|S21|和∠S21的變化分別可高達(dá)±2dB及±100°，不能自調(diào)便意味著要對(duì)陣列進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)天線系統(tǒng)而言又是一筆巨大的成本開(kāi)支。

此外值得注意的一點(diǎn)是，僅有少數(shù)全球性供應(yīng)商能實(shí)現(xiàn)6寸GaAs和GaN工藝，在同樣規(guī)模的生產(chǎn)力條件下，12寸的Si工藝顯然成本要低很多，更何況6寸GaAs和GaN工藝還不夠成熟。

陣列前端密度

早期的毫米波FWA BTS設(shè)計(jì)采用單獨(dú)的單極化發(fā)射和接收天線陣列，隨著相控陣單元之間的格柵間距越來(lái)越小，比如39GHz時(shí)已縮小到3.75mm。為了最大限度地減少饋電地插入損耗，需要將射頻前端組件置于靠近輻射單元的位置，以便將多種功能整體集成在裸片上或多芯片模塊封裝內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)所有功能的部署，我們要么成倍的提高陣列大小，以容納更多的RFFE組件，要么使用GaN等具有高功率的半導(dǎo)體材料。

此外，在半導(dǎo)體材料的選擇上，還要考慮耐溫性。由于SiGe的可靠性在溫度高于150°C時(shí)就會(huì)急劇下降，因此我們會(huì)選擇額定溫度為225°C的GaN-on-SiC，尤其是針對(duì)室外被動(dòng)冷卻式相控陣。

全硅陣列

另一種有源天線架構(gòu)是全硅陣列，其波束控制IC位于內(nèi)部，如圖4所示。

圖4：全硅架構(gòu)使得射頻前端能夠嵌入陣列內(nèi)

波束導(dǎo)向控制IC包含了發(fā)射輸出、接收輸入、增益控制以及相位控制器件，全部集成在一塊硅片上。芯片可以是單一發(fā)射器、單一接收器或是半雙工發(fā)射/接收器。

該架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于可以將饋電損耗盡可能地降低，從而使發(fā)射EIRP和接收G/T的效率達(dá)到最大。同時(shí)，由于各個(gè)發(fā)射單元振幅和相位設(shè)置均不同，便可以實(shí)現(xiàn)LEO/MEO衛(wèi)星通信、移動(dòng)衛(wèi)星通信和高密度城區(qū)所需的全幅二維掃描。同時(shí)，該架構(gòu)只采用了硅工藝，產(chǎn)能高、成本最低、供應(yīng)商充沛，無(wú)疑是另一大優(yōu)勢(shì)，而且硅材料集成度高，能夠?qū)崿F(xiàn)片上系統(tǒng)，因此可以植入一些功能來(lái)免去陣列校準(zhǔn)的必要。這些對(duì)毫米波衛(wèi)星通信和5G 有源天線等大規(guī)模市場(chǎng)而言非常重要，因?yàn)樗鼈儤O需要壓低成本。

波束成型技術(shù)

有源天線主要應(yīng)用了三種通用的波束成型架構(gòu)：模擬、數(shù)字及混合成型。

全硅架構(gòu)下的模擬波束賦形通過(guò)對(duì)陣列中的每個(gè)單元加上模擬波束權(quán)重來(lái)實(shí)現(xiàn)（圖5）；按列饋電架構(gòu)下則對(duì)每列加權(quán)。進(jìn)行了模擬波束加權(quán)后，相干功率合成波束，后接一個(gè)頻率合適的下變頻器及ADC構(gòu)成接收天線系統(tǒng)。

圖5：模擬波束成型

數(shù)字波束成型（圖6）使用復(fù)雜的數(shù)字權(quán)重而非模擬權(quán)重，使用該技術(shù)在毫米波頻率下的陣列過(guò)于密集，二維掃描就不適用了。因?yàn)榘戳叙侂娂軜?gòu)只能進(jìn)行一維掃描，電子器件都位于陣列外部，所以可以應(yīng)用數(shù)字波束賦形。同時(shí)，因?yàn)槊總€(gè)完整的接收器對(duì)應(yīng)一列而非一個(gè)單元，所消耗的直流功率顯著降低。

圖6：數(shù)字波束成型

數(shù)字波束賦形還有幾大難點(diǎn)，包括直流功耗高（尤其是在將大帶寬數(shù)字化的情況下）；信號(hào)通路復(fù)雜，其中大量I、Q數(shù)據(jù)點(diǎn)必須繞過(guò)陣列與數(shù)字處理器相連；本機(jī)振蕩器（LO）信號(hào)通道需要控制在陣列內(nèi)。不過(guò)，令人欣慰的是，如果這些困難都能迎刃而解，那這個(gè)架構(gòu)便具有極大的發(fā)揮空間，因?yàn)闊o(wú)需更改硬件就可以形成多個(gè)波束及零點(diǎn)，同時(shí)全陣列的增益能影響到每個(gè)波束。

數(shù)字波束成型的熱管理技術(shù)也頗具挑戰(zhàn)，但是即將問(wèn)世的新型GaN FEM（有限元建模）可幫助解決這個(gè)問(wèn)題，再加上新一代RF采樣DA/AD轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的功耗節(jié)省、毫米波CMOS收發(fā)器的改進(jìn)以及小信號(hào)集成度的提高，要不了多久，我們就能目睹更多全數(shù)字波束成型解決方案的部署。

圖7：采用數(shù)字波束成型和現(xiàn)成商用組件的陣列設(shè)計(jì)

混合波束成型是模擬與數(shù)字波束賦形的結(jié)合（圖8），其優(yōu)勢(shì)包括：

可以在毫米波頻率下使用；

靈活度高，無(wú)需更改硬件即可動(dòng)態(tài)形成許多波束和零點(diǎn)；

單個(gè)單元不需要完整的射頻通路，每個(gè)子陣僅需一條。

圖8：接收通路的混合波束成型

混合波束成型有源陣列的基本框圖如圖9所示。此處，N個(gè)基帶信道用于驅(qū)動(dòng)RF模擬波束成型器，進(jìn)而將信號(hào)分為M條路徑，并提供單獨(dú)的相位和振幅。流行的設(shè)計(jì)比率是16或64個(gè)有源單元對(duì)應(yīng)一個(gè)基帶信道，不過(guò)也要視實(shí)際部署而定。

圖9：采用混合波束成型的有源陣列

例如，如果采用熱點(diǎn)小基站（或在CPE終端側(cè)），那么一個(gè)1:16單面板就可以了；而一個(gè)宏BTS就需要1:64的面板，如果有24個(gè)子陣列，則對(duì)應(yīng)256512個(gè)有源單元和4~8個(gè)基帶信道。

RFFE半導(dǎo)體的選擇

RFFE技術(shù)選項(xiàng)取決于系統(tǒng)的全向輻射功率（EIRP）和G/NF要求。這兩者都由波束成型增益決定，而波束成型增益則由陣列大小確定，如圖10所示。

圖10：優(yōu)化RFFE技術(shù)與陣列大小的關(guān)系

上圖添加了最適合每種半導(dǎo)體技術(shù)的功率范圍指示，功率限值根據(jù)每項(xiàng)技術(shù)的基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置，從而避免采用會(huì)降低組件可靠性或效率的外來(lái)功率合成或方法。隨著陣列大小越來(lái)越大（超過(guò)512個(gè)有源單元），每個(gè)單元的功率變得足夠小，以便使用SiGe；相反，如果采用GaN技術(shù)，則實(shí)現(xiàn)相同的EIRP所需的信道數(shù)減少為1/8或1/16。

對(duì)于可實(shí)現(xiàn)64dBm EIRP的陣列，圖11分析了波束成型器加前端的總PDISS與每個(gè)子陣列有源單元數(shù)量之間的關(guān)系。

圖11：64dBm EIRP的系統(tǒng)功耗與陣列大小以及EVM的關(guān)系

從圖中，我們可以看出，PA效率越低，隨之波束成型器的效率則也越低。換句話說(shuō)，選擇將陣列大小增加8倍以實(shí)現(xiàn)完全采用SiGe的解決方案要付出一定的代價(jià)，因?yàn)檩斎胄盘?hào)被分為更多條路徑，且需要使用線性偏置型耗電器件將信號(hào)放大。

相控陣的成本包括RF組件、印刷電路板材料和天線成本。采用化合物半導(dǎo)體前端可將陣列大小立即減少到1/8，同時(shí)PDISS不會(huì)增加。即使采用較低成本的印刷天線技術(shù)，也可以大大節(jié)省昂貴的天線基板材料成本。考慮到組件成本，目前采用4英寸晶圓制成的150nm GaN-on-SiC，每平方毫米成本僅為8英寸130nm SiGe的4.5倍。隨著6英寸GaN生產(chǎn)線開(kāi)始實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，GaN的成本會(huì)降至SiGe的3倍。采用高功率密度型化合物半導(dǎo)體（如采用6英寸晶圓制成的GaN）時(shí)，可將完全采用SiGe的架構(gòu)原始裸片成本降低35%。雖然每個(gè)組件的硅技術(shù)成本較低，但整個(gè)系統(tǒng)的成本明顯更高。

基于Qorvo自行研發(fā)的FEM工具，在輸出功率相當(dāng)?shù)那闆r下，GaN PA的裸片尺寸只有GaAs PA的1/4，同時(shí)不會(huì)降低增益，且效率稍有提高。考慮到采用LNA ，我們選擇了90nm GaAsPHEMT工藝，因?yàn)樗腘F略占優(yōu)勢(shì)。然而，在考慮使用額外的焊線和50Ω匹配網(wǎng)絡(luò)后，其凈改進(jìn)只是幾個(gè)十分之一dB。經(jīng)過(guò)權(quán)衡分析我們得出，最好繼續(xù)采用允許PA、LNA和T/R開(kāi)關(guān)進(jìn)行相互匹配的單片GaN設(shè)計(jì)。這樣的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)更低，更易于裝配和測(cè)試，且可采用盡可能緊湊的MMIC。系統(tǒng)熱分析表明，GaN-on-SiC提供的更高結(jié)溫對(duì)于被動(dòng)冷卻式陣列至關(guān)重要。

總結(jié)

FWA商業(yè)化很快就會(huì)實(shí)現(xiàn)，原因在于低成本頻譜資源豐富、早期監(jiān)管和標(biāo)準(zhǔn)制定工作得當(dāng)，并且運(yùn)營(yíng)商有機(jī)會(huì)快速開(kāi)拓一個(gè)新市場(chǎng)。剩下的挑戰(zhàn)是要有可用的設(shè)備能夠以合理成本閉合鏈路。

用于5G和衛(wèi)星通信的有源毫米波天線在未來(lái)幾年將實(shí)現(xiàn)空前的量產(chǎn)，兩種主要的平面結(jié)構(gòu)已經(jīng)問(wèn)世。一種基于GaAs或GaN工藝，IC位于陣列外；另一種基于硅工藝，IC位于陣內(nèi)。