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隨著5G技術(shù)的出現(xiàn)，現(xiàn)在成為一名RF工程師是一件令人激動(dòng)的事情。在我們通往5G——下一代無線通信系統(tǒng)——的道路上，工程設(shè)計(jì)社區(qū)有著數(shù)不清的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。5G代表著移動(dòng)技術(shù)的演進(jìn)和革命，已達(dá)到無線生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)成員迄今發(fā)布的多項(xiàng)高級(jí)別目標(biāo)。

普遍認(rèn)為5G是一代能讓蜂窩網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展至全新使用案例和垂直市場的無線技術(shù)。雖然5G一般用來提供超寬帶服務(wù)——包括高清和超高清視頻流——5G技術(shù)將還可以讓蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入機(jī)器世界。

通往5G的革命性道路包括逐步增強(qiáng)傳統(tǒng)蜂窩頻段中的4G，并在頻率上擴(kuò)展到3 GHz至6 GHz范圍的新興頻段。大規(guī)模MIMO具有迅猛的行業(yè)發(fā)展勢頭，并將從基于LTE的首款系統(tǒng)，演進(jìn)至采用針對改善吞吐速率、延遲和蜂窩效率而設(shè)計(jì)的全新波形。

蜂窩行業(yè)將頻譜視為一切的根本，但傳統(tǒng)蜂窩頻段(sub-6 GHz)的頻譜無法滿足未來幾年內(nèi)指數(shù)級(jí)增長的需要。因此，目前正在研究超過6 GHz的頻段，以便測試在6 GHz以上頻率分配部署無線接入的可行性。

因此，某個(gè)5G頻段的工作頻率也許要高很多(可能高達(dá)毫米波)，并有可能采用無法向后兼容LTE的最新空中接口技術(shù)。主要的行業(yè)參與者探討的頻段包含較高的頻段。然而，這些頻段目前尚處于提議階段，在進(jìn)入無線系統(tǒng)定義和標(biāo)準(zhǔn)審議階段之前，通道建模還有很多工作需要完成。

考慮到5G尚處于起步階段，在部署第一個(gè)商用系統(tǒng)之前還需完成通道建模、無線架構(gòu)定義，以及最終的芯片組開發(fā)。但是，目前已經(jīng)就某些趨勢和要求達(dá)成了一致，待一些問題解決后終將催生出5G系統(tǒng)。
讓我們看一下微波和毫米波頻段的5G接入系統(tǒng)。在微波頻率下實(shí)施無線接入的最大障礙之一是克服不理想的傳播特性。這些頻段下的無線傳播在很大程度上受到大氣衰減、下雨、障礙物(建筑、人群、植物)以及反射的影響。

最初，人們認(rèn)識(shí)到，若要克服接入系統(tǒng)的傳播難題，就需要采用自適應(yīng)波束成形。與點(diǎn)對點(diǎn)系統(tǒng)不同，波束成形需適應(yīng)用戶和環(huán)境，以便向用戶提供有效負(fù)載。

圖1. 混合波束成形發(fā)射器功能框圖

圖1顯示了混合波束成形發(fā)射器的高級(jí)功能框圖。該圖反過來看便是接收器功能框圖。MIMO編碼在數(shù)字部分執(zhí)行，此外還進(jìn)行典型數(shù)字無線電處理。

雖然功能框圖很簡單，但系統(tǒng)挑戰(zhàn)和權(quán)衡取舍卻很復(fù)雜。在這篇篇幅較短的文章中，我們僅討論了部分問題，主要關(guān)注架構(gòu)和無線方面的挑戰(zhàn)。

雖然目前這類無線電可以、并且正在使用ADI及其同行公司的分立式(主要是GaAs)器件針對原型5G系統(tǒng)進(jìn)行搭建，我們尚需像部署蜂窩無線電那樣在微波領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)同樣的高集成度。高集成度和高性能是行業(yè)需要解決的難題。

但僅靠集成度無法解決業(yè)界所面臨的問題。我們需要智能集成。說到集成度，為了利用集成優(yōu)勢，我們需要首先考慮架構(gòu)和分割。

首先，需要定義有利于集成的架構(gòu)。對于蜂窩基站的高度集成式收發(fā)器IC而言，很多人采用零中頻(ZIF)架構(gòu)以消除或最大程度減少信號(hào)路徑上的濾波器。尤其在微波頻率，必須最大程度減少RF濾波器損耗，因?yàn)楫a(chǎn)生RF功率的成本十分高昂。

接下來討論半導(dǎo)體技術(shù)要求。正如前文所述，一流的微波系統(tǒng)通常采用GaAs元件實(shí)現(xiàn)。GaAs多年來一直是微波行業(yè)的主流技術(shù)，但SiGe工藝正在克服高頻工作障礙，以便在多項(xiàng)信號(hào)路徑功能上與GaAs一較高下。

取決于每個(gè)天線所需的輸出功率，可能需要采用GaAs PA。然而，在微波頻率下甚至GaAs PA都效率較低，因?yàn)樗鼈冊诰€性區(qū)域內(nèi)通常會(huì)發(fā)生偏移。

那么CMOS又如何呢？ 能否占有一席之地？ 各種文檔都已明確指出，CMOS適合大規(guī)模調(diào)整，這點(diǎn)在60 GHz的WiGig系統(tǒng)中已經(jīng)得到了驗(yàn)證。考慮到目前尚處于開發(fā)的早期階段，且使用案例也不甚明確，因而很難說CMOS是否、或者何時(shí)會(huì)用作5G無線電的技術(shù)選擇。首先必須完成很多通道建模和使用案例方面的工作，以便總結(jié)無線電規(guī)格以及未來使用微波CMOS的可行性。

5G系統(tǒng)的最后一個(gè)考慮因素是機(jī)械設(shè)計(jì)和RF IC分割的相互依賴性。由于最小化損耗方面的難題，IC需要采用天線和基板設(shè)計(jì)，并考慮分割優(yōu)化。在50 GHz以內(nèi)，天線將是基板的一部分，并且預(yù)期路由和部分無源結(jié)構(gòu)可能內(nèi)嵌到基板上。

超過50 GHz時(shí)，天線元素和間距就會(huì)變得足夠小，可將天線結(jié)構(gòu)封裝在內(nèi)，或集成到封裝上。同樣，這是目前正在研究的方向，它可能推動(dòng)5G系統(tǒng)的發(fā)展。

無論如何，RF IC和機(jī)械結(jié)構(gòu)都必須一并設(shè)計(jì)，確保路由的對稱性，并最大程度減少損耗。如果沒有強(qiáng)大的3D建模工具來進(jìn)行這些設(shè)計(jì)所需的大量仿真，那么這些工作一項(xiàng)都不可能完成。

雖然本文擇要介紹了5G為微波行業(yè)帶來的挑戰(zhàn)，但在未來數(shù)年內(nèi)，仍有數(shù)不清的機(jī)遇推動(dòng)RF創(chuàng)新。正如前文所述，嚴(yán)格的系統(tǒng)工程通過在整個(gè)信號(hào)鏈中采用最好的技術(shù)實(shí)現(xiàn)最佳的解決方案。從整個(gè)行業(yè)來看，從工藝和材料開發(fā)到設(shè)計(jì)技巧和建模，再到高頻測試和制造，仍有很多工作需要完成。在實(shí)現(xiàn)5G目標(biāo)的道路上，所有學(xué)科都將參與其中。

ADI豐富的技術(shù)產(chǎn)品組合以及不斷進(jìn)步的RF技術(shù)與無線電系統(tǒng)工程的深厚歷史相結(jié)合，使我們處于領(lǐng)先地位，帶領(lǐng)我們的客戶為新興的5G系統(tǒng)開拓新的微波和毫米波頻率解決方案。

正如本文開頭所述，現(xiàn)在成為一名無線領(lǐng)域的RF工程師是一件令人激動(dòng)的事情。5G才剛剛起步，我們還需要完成大量工作才能在2020年以前實(shí)現(xiàn)商用5G無線電網(wǎng)絡(luò)。