從5G到6G，為什么天線系統(tǒng)規(guī)模越來越大？

當前，全球5G發(fā)展已經(jīng)進入關(guān)鍵期，滲透率在快速提升，5G在各行各業(yè)逐漸完成場景落地。根據(jù)中國網(wǎng)信辦的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2021年底，中國已建成142.5萬個5G基站，總量占全球60%以上，5G用戶數(shù)達到3.55億戶。而就在5G發(fā)展如火如荼的同時，全球主要國家已經(jīng)投身6G研究。

圖1：中國5G基站數(shù)量占比

（圖源：中國信通院）

6月21日，中國移動對外發(fā)布《6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)白皮書》，這是業(yè)界首次系統(tǒng)化發(fā)布6G網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)設(shè)計。同時，在第二屆全球6G技術(shù)大會上，美英日加等國也深入探討了6G相關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和場景落地。從5G到6G，天線系統(tǒng)升級是關(guān)鍵所在。本文主要闡述在當前的6G研究中，天線系統(tǒng)的顯著特征，以及貿(mào)澤電子在售的電子元器件如何助力實現(xiàn)這些復(fù)雜的系統(tǒng)級設(shè)計。

6G帶來的更大規(guī)模天線挑戰(zhàn)

在2022世界移動通信大會上，大會主辦方全球移動通信系統(tǒng)協(xié)會發(fā)布報告指出，預(yù)計到2022年底，全球5G連接數(shù)量將超過10億。并且報告中還提到，2022年至2025年運營商6,200億美元（預(yù)計金額）資本支出中的85%將用于5G發(fā)展。隨著基站覆蓋率不斷提升，終端連接數(shù)量暴漲，現(xiàn)階段5G發(fā)展已經(jīng)進入深水區(qū)。

在此過程中，5G的身份也在發(fā)生著悄然的變化，從運營商圈定用戶的新世代網(wǎng)絡(luò)，變成了數(shù)字經(jīng)濟的筑基技術(shù)。在短視頻、4K/8K高清視頻、網(wǎng)絡(luò)直播等領(lǐng)域初顯威力后，目前5G+工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心，除了網(wǎng)速更快以外，5G在高寬帶、低延遲和廣泛連接方面的潛力逐漸被挖掘出來。

然而，隨著5G創(chuàng)新項目和示范項目越來越多，5G的短板也開始顯現(xiàn)。比如在覆蓋性方面，5G依然只能覆蓋陸地區(qū)域，而無法覆蓋地球面積占比更大的海域，以及空中；在連接范圍方面，5G在應(yīng)對密集型場景時依然會有局限性；在低延遲方面，5G在自動駕駛和一些工業(yè)場景下依然被認為是需要優(yōu)化的。要解決這些難題，就只能寄希望于下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)——6G。

相較于5G，6G在傳輸速度、傳輸容量、傳輸空間和覆蓋范圍等方面有明顯優(yōu)勢。

傳輸速度

6G可能會是當前5G峰值速度的100倍，網(wǎng)絡(luò)延遲從毫秒級降低到微秒級，虛擬現(xiàn)實和自動駕駛等場景都將因此受益。

傳輸容量

6G將使用“空間復(fù)用技術(shù)”，容量達到5G基站的1,000倍以上，連接設(shè)備密度達到每立方米數(shù)百個，更加有利于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

傳輸空間

6G將采用空天地一體化網(wǎng)絡(luò)，打通了衛(wèi)星和地面基站的通信。

覆蓋范圍

6G將在地球上形成無所不在的全覆蓋網(wǎng)絡(luò)，在海上和山區(qū)也不用擔心無法通信。

為了完成這些關(guān)鍵指標，6G除了使用“空間復(fù)用技術(shù)”以外，也會將通信頻率提升到太赫茲級別，這個頻率已經(jīng)接近分子轉(zhuǎn)動能級的光譜，在單節(jié)點信號覆蓋以及抗干擾方面面臨著更大的挑戰(zhàn)。再考慮上述提到的6G單節(jié)點容量提升，因此6G對通信設(shè)備的天線系統(tǒng)提出了非常高的要求。

相較于5G天線核心技術(shù)——大規(guī)模MIMO，6G采用陣列規(guī)模更大的超大規(guī)模MIMO，每一個陣列中還會融合感知通信、數(shù)字波束控制、AI賦能等創(chuàng)新技術(shù)，具備寬動態(tài)、多波束的典型特征。為了支持更寬的頻段，提升單基站的通信容量，在基站側(cè)配置的超大規(guī)模天線陣列會有幾十個甚至是上千個。并且為了支持更高頻通信，高增益天線也是不可或缺的。

在具體實施層面，6G全新的天線設(shè)計又需要具備體積小、重量輕、低成本、低功耗、架構(gòu)靈活等特點。也就是說，理想的6G基站天線系統(tǒng)相較于現(xiàn)有的大規(guī)模天線陣列，體積相當，甚至是更小，且因為AI和通信技術(shù)深度融合，6G天線陣列規(guī)模雖然很大，但功耗更低，且更加靈活。

當然，和過往每一代通信技術(shù)的天線系統(tǒng)一樣，在6G超大規(guī)模天線系統(tǒng)里，電子元器件依然是核心支撐，是系統(tǒng)的基石。在探索和打造6G超大規(guī)模天線系統(tǒng)，乃至整個6G通信系統(tǒng)的過程中，貿(mào)澤電子都是理想的電子元器件采購平臺。下面，我們就為大家推薦幾款貿(mào)澤電子平臺上在售的，適用于大規(guī)模天線陣列的元器件。

適用于高頻、高速通信的整體連接器方案

如上所述，無論是當前的5G，還是未來的6G，天線系統(tǒng)都將采用大規(guī)模MIMO或者超大規(guī)模MIMO。硬件組成上，會有數(shù)個、數(shù)十個，甚至是上千個天線陣列構(gòu)成大規(guī)模天線系統(tǒng)，那么在系統(tǒng)中起到連接作用的連接器便顯得尤為重要。然而我們今天并不是向大家推薦某一款連接器，而是貿(mào)澤電子平臺上在售的來自制造商Samtec的連接器整體解決方案。

在微波和毫米波技術(shù)領(lǐng)域，Samtec提供精密射頻連接器和電纜組件，支持最高110GHz的高頻段，并提供出色的可重復(fù)性和低VSWR。

圖2：Samtec精密射頻連接器和電纜組件

（圖源：貿(mào)澤電子）

Samtec精密射頻連接器和電纜組件擁有1.85mm、2.40mm、2.92mm、3.50mm和SMPM（微型連接器）五大系列。其中，1.85mm、2.40mm、2.92mm和3.50mm均是基于空氣介質(zhì)設(shè)計，擁有低電壓駐波比和插入損耗，它們之間擁有出色的互連性，1.85mm可與2.40mm相匹配，2.92mm、3.50mm和SMA可配合使用，并且這些堅固的接口可以幫助系統(tǒng)實現(xiàn)一致、可靠的性能；SMPM屬于微型連接器，比SMP小30%，通過推入式設(shè)計，可實現(xiàn)快速、方便地接合，借助子彈型適配器還可以做到板對板盲插。

在貿(mào)澤電子上，通過任意一款Samtec精密射頻連接器和電纜組件的產(chǎn)品詳情頁都可以瀏覽到Samtec在這方面的完整解決方案，比如1.85mm系列中的PRF18-J-C-EP-085-BS，大家可以通過搜索此制造商編號快速查詢到這個器件。

在時下熱門的5G通信方面，Samtec面向測試和開發(fā)系統(tǒng)、遠程無線電和有源天線、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及汽車和運輸領(lǐng)域推出了不同類型的連接器產(chǎn)品線，滿足相關(guān)領(lǐng)域?qū)τ?G技術(shù)所需的超高頻率和高數(shù)據(jù)速率需求幫助實現(xiàn)mmWave、大規(guī)模 MIMO、波束成形和全雙工等5G典型技術(shù)應(yīng)用。

圖3：Samtec 5G解決方案

（圖源：貿(mào)澤電子）

在5G測試和開發(fā)系統(tǒng)方面

Samtec廣泛的產(chǎn)品組合和高性能互連專業(yè)技術(shù)可以在測試和測量設(shè)備之間實現(xiàn)5G系統(tǒng)原型設(shè)計和連接。

在遠程無線電和有源天線方面

Samtec提供全系列解決方案幫助設(shè)計師在更小的外形下實現(xiàn)大規(guī)模MIMO和波束成形等技術(shù)。

在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備方面

Samtec的高性能互連專業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品解決方案使得這些設(shè)備具有可擴展性、智能性和靈活性。

在汽車和運輸領(lǐng)域

Samtec不斷擴展的汽車互連產(chǎn)品組合讓汽車更智能，改善交通流量并提高安全性。

MEC5-070-01-L-DV-W1-K-TR（制造商編號）為一款Samtec MEC5超高密度微型插卡式插座，與較為常見的0.80mm間距解決方案相比，此0.50mm間距超高密度插卡式插座可大大節(jié)省空間，適用于5G遠程無線電和有源天線等高密度應(yīng)用。在貿(mào)澤電子平臺上，通過MEC5-070-01-L-DV-W1-K-TR詳情頁的最下方信息，便能夠找到Samtec 5G解決方案的入口。

適用于大規(guī)模MIMO的射頻功率氮化鎵晶體管

在5G逐漸從Sub-6G頻段升級到豪米波頻段的過程中，使用包括很多天線在內(nèi)的天線陣列成為唯一的選擇，以克服材料的物理極限，以及國家政策對于發(fā)射功率的限制。而到了6G時代，更高的載波頻率以及更大的通信容量，意味著超大規(guī)模MIMO在基站中更是不可或缺的一環(huán)。

我們接下來要介紹的這款器件，便是適用于5G基站大規(guī)模MIMO有源天線系統(tǒng)的A3G26D055N Airfast? 射頻功率氮化鎵晶體管，來自制造商NXP Semiconductors，貿(mào)澤電子網(wǎng)站上該器件的制造商編號為A3G26D055NT4，大家可以通過搜索此編號迅速找到這顆元器件。

圖4：NXP A3G26D055N Airfast?射頻功率氮化鎵晶體管

（圖源：貿(mào)澤電子）

A3G26D055N Airfast? 射頻功率氮化鎵晶體管（以下簡稱：A3G26D055N）設(shè)計用于需要非常寬的瞬時帶寬能力的蜂窩基站應(yīng)用，采用8W對稱式Doherty設(shè)計，支持100MHz至2,690MHz的寬頻率范圍。通過下圖能夠看到，該器件在2675MHz時的功率增益為18db（典型值），效率為54.1%。以往“帶寬較低”這一困擾MEMS電容式加速度計的問題，也得到了極大的改善?？梢韵胍?，MEMS電容式加速度計的發(fā)展正在拉低CbM和預(yù)測性維護的“門檻”，使得這一技術(shù)能夠滲透到電機應(yīng)用的更多場景。

圖5：A3G26D055N性能表現(xiàn)

（圖源：貿(mào)澤電子）

面向5G基站的大規(guī)模MIMO有源天線系統(tǒng)應(yīng)用，A3G26D055N經(jīng)過了專門的性能優(yōu)化，具有高端子阻抗，實現(xiàn)出色的寬帶性能，并通過新一代信號技術(shù)改善線性化誤差矢量幅度，能夠承受非常高的輸出VSWR和寬帶工作條件。此外，該器件采用的緊湊的7.0mm x 6.5mm DFN-6封裝，非常有利于整體實現(xiàn)小型化和高集成。

除了特別適用于5G基站的大規(guī)模MIMO有源天線系統(tǒng)，A3G26D055N在W-CDMA和LTE、宏蜂窩基站驅(qū)動器、微蜂窩基站以及小型蜂窩末級等領(lǐng)域同樣能夠發(fā)揮出色的性能。

可用于5G大規(guī)模MIMO的雙通道開關(guān)LNA模塊

接下來，我們?yōu)榇蠹彝扑]的是一款可用于5G大規(guī)模MIMO的雙通道開關(guān)LNA模塊。LNA（Low Noise Amplifier）為低噪聲放大器，可用于射頻接收和發(fā)射電路。其中，在射頻接收電路中，LNA模塊可提升接收靈敏度，消除濾波電路造成的衰減問題。

我們今天推薦QPB9378雙通道開關(guān)LNA模塊來自制造商Qorvo，該器件在貿(mào)澤電子平臺上的制造商編號為QPB9378TR13。

圖6：Qorvo QPB9378雙通道開關(guān)LNA模塊

（圖源：貿(mào)澤電子）

QPB9378TR13是一款面向5G TDD基站的高度集成的RF前端模塊，采用雙通道配置，集成了兩級LNA和大功率SPDT開關(guān)。QPB9378TR13在低增益模式下，具有第二級LNA（具有旁路功能）和LNA掉電模式（發(fā)射模式下）。

QPB9378TR13可在2.3-5.0 GHz范圍內(nèi)工作。在接收模式的低增益狀態(tài)下，增益為14.5dB，OIP3為+34.5dBm，噪聲系數(shù)為1.25dB；在接收模式的高增益狀態(tài)下，增益為33.5dB，OIP3為+33dBm，噪聲系數(shù)為1.25dB；在發(fā)射模式下，平均功率處理能力為20W，插入損耗為0.5dB。

QPB9378TR13采用6mm x 6mm的緊湊封裝尺寸，不僅是在5G大規(guī)模MIMO領(lǐng)域，在小型蜂窩BTS、無線基礎(chǔ)設(shè)施和基于TDD的架構(gòu)等方面都能夠體現(xiàn)出高性能和高集成優(yōu)勢。

通信技術(shù)的未來發(fā)展

正如中國工程院院士鄔賀銓所言，“正在研發(fā)中的6G，需要吸取5G的經(jīng)驗，不能簡單地再將峰值速率提高1,000倍為目標，還得考慮如何才能滿足大眾的應(yīng)用需求?！憋@然，包括當下熱議的6G，以及未來世代的通信技術(shù)，絕不僅僅是單純以提升網(wǎng)速為目的，超高帶寬、超低時延、超大容量以及和人工智能技術(shù)的深度融合等會為每一代通信技術(shù)帶來巨大的改變，當然還會有更多的原始創(chuàng)新技術(shù)加入進來。

在可預(yù)見的6G時代，超大規(guī)模MIMO和波束成形技術(shù)依然會是通信基礎(chǔ)設(shè)施升級的核心技術(shù)，而幫助實現(xiàn)這些技術(shù)的是設(shè)備里一顆顆高性能的射頻連接器、電纜組件和種類豐富的射頻器件，它們匯聚在貿(mào)澤電子平臺上，又四散到每一個工程師的手中，并在通信設(shè)備中找到最終歸屬，助力一代又一代通信技術(shù)的升級迭代。