5G無線：從Sub-6 GHz到毫米波市場機(jī)遇與技術(shù)挑戰(zhàn)

　　對于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)而言，第4代氮化鎵技術(shù)和多功能相控陣?yán)走_(dá)(MPAR)架構(gòu)可提升射頻性能和裝配效率——DavidRyan，MACOM高級業(yè)務(wù)開發(fā)和戰(zhàn)略營銷經(jīng)理解說道，向5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的推進(jìn)不斷加快，無線吞吐量和容量會(huì)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。在短期內(nèi)，我們將看到Sub-6GHz無線基礎(chǔ)設(shè)施開始部署，以彌補(bǔ)現(xiàn)有4GLTE網(wǎng)絡(luò)與未來毫米波(mmW)5G實(shí)施方案之間的帶寬差距，后者采用的頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于6GHz。

　　Sub-6GHz基礎(chǔ)設(shè)施將繼續(xù)利用2.5至2.7GHz的大量可用頻譜，同時(shí)增加3.3至3.8GHz的頻率，在某些地區(qū)甚至達(dá)到4.4至5GHz。中國移動(dòng)計(jì)劃于2017年和2018年進(jìn)行主要試點(diǎn)部署，pre-5Gsub-6GHz基礎(chǔ)設(shè)施有望提高傳統(tǒng)手機(jī)頻段的頻譜效率，并且在可比較的頻率帶寬范圍內(nèi)，能夠以比現(xiàn)有4GLTE快10倍的數(shù)據(jù)速率擴(kuò)展容量和覆蓋范圍。Sub-6Ghz的5G無線基礎(chǔ)設(shè)施將采用波束成形方案進(jìn)行廣泛部署，采用該方案可以大大擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和建筑內(nèi)部穿透能力。

　　5G無線：從Sub-6GHz到毫米波市場機(jī)遇與技術(shù)挑戰(zhàn)

　　雖然3GPP聯(lián)盟的第一套5G標(biāo)準(zhǔn)(第15版)預(yù)計(jì)在2018年6月才會(huì)獲得批準(zhǔn)，而且mmW頻率的5G網(wǎng)絡(luò)在幾年之內(nèi)都不會(huì)成為商業(yè)主流，但當(dāng)今正在開發(fā)演示系統(tǒng)和前期標(biāo)準(zhǔn)，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一些重要的里程碑節(jié)點(diǎn)。早些時(shí)候，Verizon和AT&T已經(jīng)公布了部署5GmmW技術(shù)的測試/試驗(yàn)，主要是針對固定無線應(yīng)用，旨在與傳統(tǒng)有線電視運(yùn)營商進(jìn)行競爭，為每個(gè)家庭提供同時(shí)觀看多個(gè)4K視頻所需的帶寬。5G也可能用于在人口稠密的環(huán)境中提供海量容量，例如體育場館和地鐵購物中心。隨著技術(shù)的發(fā)展，未來的用途將更加明顯。

　　然而，5G不僅僅表示頻率更高的更快網(wǎng)絡(luò)。其關(guān)鍵特性之一是，5G將使運(yùn)營商以新的方式從網(wǎng)絡(luò)獲利，并通過聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)切片等新功能來發(fā)展商業(yè)模式。憑借將物理網(wǎng)絡(luò)劃分為幾個(gè)虛擬移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的功能，運(yùn)營商可以利用消費(fèi)者用戶使用的同一硬件基礎(chǔ)設(shè)施，為企業(yè)客戶提供廣泛的服務(wù)質(zhì)量(QoS)和安全/加密選項(xiàng)。長期來看，聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)切片功能還可以在運(yùn)營商之間實(shí)現(xiàn)更大的共享平臺，使他們能夠在各個(gè)國家之間協(xié)調(diào)分配網(wǎng)絡(luò)資源，從而為用戶提供無縫5G漫游體驗(yàn)。

　　大規(guī)模MIMO也帶來了巨大挑戰(zhàn)

　　Sub-6GHz和mmW5G系統(tǒng)將依靠相控陣技術(shù)來優(yōu)化信號鏈路和數(shù)據(jù)速率，該技術(shù)利用了在3D-MIMO(多輸入多輸出)架構(gòu)中配置的大量天線元件。傳統(tǒng)的基站可容納兩個(gè)到八個(gè)發(fā)射器和接收器，而3D-MIMO系統(tǒng)可配備64個(gè)發(fā)射和接收(T/R)元件，并且可擴(kuò)展到128或256個(gè)元件。這些陣列天線配置增加了可用的T/R路徑的數(shù)量以最大化數(shù)據(jù)速率，并且實(shí)現(xiàn)了對5G價(jià)值主張至關(guān)重要的高級波束成形功能-不過，這類系統(tǒng)的復(fù)雜性和密度為設(shè)計(jì)和裝配帶來了諸多挑戰(zhàn)。

　　考慮到在緊密聚集的天線配置中減小元件與元件之間的空間，特別是在較高頻率的條件下減小空間，3D-MIMO系統(tǒng)需要緊湊的前端解決方案。這反過來又產(chǎn)生了與產(chǎn)生顯著射頻功率(在某些情況下，每個(gè)元件高達(dá)5W)和在小區(qū)域中進(jìn)行散熱等相關(guān)的散熱挑戰(zhàn)。

　　最終裝置的裝配是另一個(gè)主要挑戰(zhàn)。64天線陣列將容納64個(gè)功放、64個(gè)開關(guān)和64個(gè)低噪聲放大器等器件。如此之多的射頻組件和射頻接口使最終產(chǎn)量面臨很低的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)一些基站OEM廠商具備可以組裝數(shù)千個(gè)組件并在內(nèi)部處理PCB封裝的生產(chǎn)能力時(shí)，其他OEM廠商會(huì)選擇采購?fù)耆M裝的模塊作為其無線電設(shè)備中的功能塊，以降低復(fù)雜性和產(chǎn)量風(fēng)險(xiǎn)。通過利用更高級別的組件，可將組件故障定位到各個(gè)64個(gè)子系統(tǒng)中，因此，與因一個(gè)單個(gè)故障就會(huì)損害由數(shù)千個(gè)單獨(dú)元件組成的組件相比，可以更容易地對電路板進(jìn)行返工。

　　第4代氮化鎵優(yōu)勢

　　就半導(dǎo)體層面而言，第四代硅基氮化鎵(Gen4GaN)已經(jīng)作為LDMOS的明確替代者來服務(wù)于針對5G部署的下一代基站，尤其對于3.5GHz及以上頻率，LDMOS存在固有技術(shù)限制。第四代氮化鎵技術(shù)通過4GLTE基礎(chǔ)設(shè)施確立了相對于LDMOS的領(lǐng)先優(yōu)勢，其在功率密度、節(jié)省空間和能源效率方面具有顯著優(yōu)勢，而且還有助于實(shí)現(xiàn)優(yōu)于LDMOS的成本結(jié)構(gòu)。

　　第四代氮化鎵的原始功率密度比當(dāng)前LDMOS技術(shù)的原始功率密度高百分之十分，每單位面積可將功率提高4到6倍，也就是說，氮化鎵裸片尺寸為LDMOS裸片尺寸的1/6至1/4。第四代氮化鎵具有更高功率密度特性，能夠?qū)崿F(xiàn)更小器件封裝，因而非常適用于3D-MIMO天線系統(tǒng)。

　　此外，第四代氮化鎵與LDMOS相比，效率提高了百分之十以上。如果加以適當(dāng)利用，這種頻效差量能夠在系統(tǒng)層面上對商業(yè)5G應(yīng)用產(chǎn)生巨大影響，特別是對于多封裝層需要專門解決高溫問題的解決方案(例如第四代氮化鎵，能夠使器件工作在較高結(jié)溫條件下)的高級裝配，更是如此。

　　最后要說明的是，器件設(shè)計(jì)師利用第四代氮化鎵技術(shù)可實(shí)現(xiàn)寬帶寬，這一點(diǎn)至關(guān)重要，運(yùn)營商可借此過渡到頻段更寬的更高頻率，進(jìn)而能夠靈活地實(shí)現(xiàn)更廣泛的載波聚合頻帶?；诘壍墓Ψ排c基于LDMOS的器件相比，支持的帶寬更寬，因而減少了覆蓋5G基站內(nèi)主要手機(jī)頻段所需的部件數(shù)量。

　　MPAR裝配效率

　　我們知道，就大規(guī)模MIMO5G系統(tǒng)的架構(gòu)和裝配而言，與專用于軍用和民用空中交通管制應(yīng)用的新一代多功能相控陣?yán)走_(dá)(MPAR)系統(tǒng)具有很多相近之處。Sub-6GHz3D-MIMO系統(tǒng)尤其適合采用MPAR設(shè)計(jì)和裝配策略(假定這兩種技術(shù)涵蓋的頻帶范圍均為2.6到3.5GHz)，并且這類系統(tǒng)共用一個(gè)64天線架構(gòu)。

　　第一代MPAR系統(tǒng)在由成百上千個(gè)T/R元件組成的平面配置中采用了可微縮平面陣列(SPAR?)片。MACOM和麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室合作開發(fā)的SPAR片技術(shù)憑借高級射頻裝配以及大規(guī)模商業(yè)級封裝和制造技術(shù)，提供了成本敏感型的全新相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)開發(fā)方法。

　　SPAR片避免使用傳統(tǒng)縫隙陣列架構(gòu)，而是采用天線元件和射頻波束成形器借此來集成在單個(gè)多層射頻板中的平面片式陣列架構(gòu)。通過這種方式，可使用符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制造流程將T/R模塊以SMT形式安裝到PCB，這簡化了系統(tǒng)裝配過程并且最大限度降低了產(chǎn)量風(fēng)險(xiǎn)。這種相控陣實(shí)現(xiàn)方式縮短了上市時(shí)間，并大幅降低了成本，可推動(dòng)MPAR技術(shù)成為商業(yè)應(yīng)用(如sub-6GHz無線應(yīng)用)中的主流技術(shù)。

　　對于采用sub-6GHz和mmW頻率的5G系統(tǒng)，其從半導(dǎo)體層面到器件封裝和最終系統(tǒng)裝配，都面臨多種特有的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。我們在氮化鎵和相控陣技術(shù)(例如MPAR)領(lǐng)域不斷進(jìn)行創(chuàng)新，這有助于充分挖掘5G的潛力，可使基站OEM利用能夠簡化設(shè)計(jì)和制造流程的模塊化子系統(tǒng)，在緊湊外形的條件下實(shí)現(xiàn)功率輸出和能源效率的最佳平衡。