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高频段5g终端射频实现与挑战

 

一

 

5g频谱规划情况

目前国际上考虑可能应用到5g的频谱分为6 ghz以下频段（sub-6 ghz）和6 ghz以上频段（ 高频段），其中6 ghz以下频段包括了目前移动通信的频段及3 ghz至6 ghz频段，高频段主要集中在30 ghz、40 ghz、70 ghz以及80 ghz附近。

 

在频谱规划上，各国家重点有所不同。美国、日本、韩国等国家着力推进28 ghz毫米波频段用于热点高容量及最后一公里接入。我国及欧盟重点推动sub-6 ghz频段用于广覆盖。欧盟将3.4 ghz—3.8 ghz作为主力频段，也计划将700 mhz频段用于广覆盖。国内来讲，3.4 ghz—3.6 ghz已经确定为5g试验频段，3.3 ghz—3.4 ghz、4.4 ghz—4.5 ghz、4.8 ghz—4.99 ghz等也有望成为5g潜在频段。虽然6 ghz以上的高频段尚未明确，但由于其存在大量的可用频谱，及早启动对高频段研究和器件准备对于5g发展也有重要意义，因此本文接下来将基于5g频谱规划情况，对高频段5g终端射频的实现与挑战进行分析。

 

二

 

高频段传输信道

 

6 ghz以上的高频段信道不同于sub-6 ghz信道，其具有传播损耗大、传播方向性强以及空间相关性高等特点。

 

如图1所示，30 ghz波段相比2.6 ghz，传播损耗高37 db左右，穿透损耗高12 db左右，这导致毫米波频段最有可能用作热点覆盖而不是广覆盖，这对终端提出了更高的要求，即需要有更高的发射功率或具备更多的天线（下一章节将讨论射频器件的性能，从中可以分析出高频段的射频器件性能会有所降低，这也导致终端多天线构成的波束赋形成为必选方案，这一部分将在4.2节做进一步的讨论）。

图1  传播损耗及穿透损耗情况

 

通过信道测量也发现，6 ghz以上的高频段具有更强的传播方向性，其散射及折射特性弱、多径特征不明显，这也意味着其不适合高阶mimo的使用。此外，从表1可以看到，6 ghz以上的高频段的时延扩展、角度扩展低，导致毫米波频段具有更高的空间相关性，无法实现单用户多流数据传输。

 

图2  相位噪声对比

 

相位噪声指系统（ 如各种射频器件） 在各种噪声作用下引起的系统输出信号相位的随机变化，通常描述射频信号的三要素是幅度、频率、相位。频率和相位相互影响，理想情况下，固定频率的无线信号波动周期是固定的，但实际情况是信号总有一定的频谱展宽，这个展宽的无用信号叫边带信号，也叫相位噪声。相位噪声的大小可以反映出射频器件的优劣：相位噪声越小，射频器件越好；而频率越高，相位噪声越严重。毫米波终端射频器件性能比sub-6 ghz差。

 

以终端射频功率放大器（pa）为例，目前主要采用gaas材料，pa效率在sub-6 ghz可达30%~40%，而在6 ghz以上pa效率降到10%左右。此外，pa最大输出功率也从28 dbm降低到了24 dbm以下，再考虑到6 ghz以上的高频段射频器件具有更高的插入损耗，终端的实际发射功率能力大大降低。如何提升pa效率及最大输出功率能力是摆在业界的一个难题，后续需要在材料或制作工艺上进行改进，如gan等。gan相比gaas可以有更高的输出功率（如50 dbm），但其要求的供电电压需在10 v以上，如何在终端产品上进行应用有待进一步研究。不同频段pa输出功率及效率如表2所示：

 

表2  不同频段pa输出功率及效率

                           

                    不同频段pa效率如图3所示：

除pa外，滤波器工艺在毫米波频段也需要改变。3 ghz以下，滤波器主流工艺包括saw（声表面波滤波器）、baw（体声波滤波器）和fbar（薄膜体声滤波器）。saw是比较常用的普通滤波器，可满足一般需求。对于滤波要求较高的场合（如b40和wi-fi共存）则需要用到baw和fbar。

 

以上工艺的内部电极间距和频率成反比。6 ghz以上的高频段频段由于电极间距过小，温度升高极易导致电极短路，此外毫米波也有小型化的要求，使得以上三种工艺已不再适用。但目前毫米波频段的无线系统很少，使得对带外辐射等指标的要求降低，可以考虑采用低温共烧陶瓷（ltcc）滤波器以及pcb走线模拟lc滤波器等。

 

四

 

高频段终端射频实现

 

4.1 总体架构

                                   图4  一次变频结构示意图

                                   图5 二次变频结构示意图

 

4.2 天线子系统