從5G到6G，為什么天線系統(tǒng)規(guī)模越來越大？

當(dāng)前，全球5G發(fā)展已經(jīng)進(jìn)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(chǎng)景落地。根據(jù)中國(guó)網(wǎng)信辦的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2021年底，中國(guó)已建成142.5萬個(gè)5G基站，總量占全球60%以上，5G用戶數(shù)達(dá)到3.55億戶。而就在5G發(fā)展如火如荼的同時(shí)，全球主要國(guó)家已經(jīng)投身6G研究。

圖1：中國(guó)5G基站數(shù)量占比

（圖源：中國(guó)信通院）

6月21日，中國(guó)移動(dòng)對(duì)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(jì)。同時(shí)，在第二屆全球6G技術(shù)大會(huì)上，美英日加等國(guó)也深入探討了6G相關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和場(chǎng)景落地。從5G到6G，天線系統(tǒng)升級(jí)是關(guān)鍵所在。本文主要闡述在當(dāng)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(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。

6G帶來的更大規(guī)模天線挑戰(zhàn)

在2022世界移動(dòng)通信大會(huì)上，大會(huì)主辦方全球移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)會(huì)發(fā)布報(bào)告指出，預(yù)計(jì)到2022年底，全球5G連接數(shù)量將超過10億。并且報(bào)告中還提到，2022年至2025年運(yùn)營(yíng)商6,200億美元（預(yù)計(jì)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(jìn)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(yùn)營(yíng)商圈定用戶的新世代網(wǎng)絡(luò)，變成了數(shù)字經(jīng)濟(jì)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(xiàng)目和示范項(xiàng)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(duì)密集型場(chǎng)景時(shí)依然會(huì)有局限性；在低延遲方面，5G在自動(dòng)駕駛和一些工業(yè)場(chǎng)景下依然被認(rèn)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(dòng)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(shì)。

傳輸速度

6G可能會(huì)是當(dāng)前5G峰值速度的100倍，網(wǎng)絡(luò)延遲從毫秒級(jí)降低到微秒級(jí)，虛擬現(xiàn)實(shí)和自動(dòng)駕駛等場(chǎng)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(dá)到5G基站的1,000倍以上，連接設(shè)備密度達(dá)到每立方米數(shù)百個(gè)，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(dān)心無法通信。

為了完成這些關(guān)鍵指標(biāo)，6G除了使用“空間復(fù)用技術(shù)”以外，也會(huì)將通信頻率提升到太赫茲級(jí)別，這個(gè)頻率已經(jīng)接近分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的光譜，在單節(jié)點(diǎn)信號(hào)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(diǎn)容量提升，因此6G對(duì)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(gè)陣列中還會(huì)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(dòng)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(huì)有幾十個(gè)甚至是上千個(gè)。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(shí)施層面，6G全新的天線設(shè)計(jì)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(diǎn)。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(dāng)，甚至是更小，且因?yàn)锳I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(dāng)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(gè)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(gòu)平臺(tái)。下面，我們就為大家推薦幾款貿(mào)澤電子平臺(tái)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(dāng)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(huì)有數(shù)個(gè)、數(shù)十個(gè)，甚至是上千個(gè)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(tái)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(jì)，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(jiān)固的接口可以幫助系統(tǒng)實(shí)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(jì)，可實(shí)現(xiàn)快速、方便地接合，借助子彈型適配器還可以做到板對(duì)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(yè)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(hào)快速查詢到這個(gè)器件。

在時(shí)下熱門的5G通信方面，Samtec面向測(cè)試和開發(fā)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程無線電和有源天線、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及汽車和運(yùn)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(shí)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(cè)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(cè)試和測(cè)量設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)5G系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)和連接。

在遠(yuǎn)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(jì)師在更小的外形下實(shí)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(kuò)展性、智能性和靈活性。

在汽車和運(yùn)輸領(lǐng)域

Samtec不斷擴(kuò)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(hào)）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(yuǎn)程無線電和有源天線等高密度應(yīng)用。在貿(mào)澤電子平臺(tái)上，通過MEC5-070-01-L-DV-W1-K-TR詳情頁(yè)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(jí)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(guó)家政策對(duì)于發(fā)射功率的限制。而到了6G時(shí)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N(yùn)XP Semiconductors，貿(mào)澤電子網(wǎng)站上該器件的制造商編號(hào)為A3G26D055NT4，大家可以通過搜索此編號(hào)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(jiǎn)稱：A3G26D055N）設(shè)計(jì)用于需要非常寬的瞬時(shí)帶寬能力的蜂窩基站應(yīng)用，采用8W對(duì)稱式Doherty設(shè)計(jì)，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(shí)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(jì)的問題，也得到了極大的改善。可以想見，MEMS電容式加速度計(jì)的發(fā)展正在拉低CbM和預(yù)測(cè)性維護(hù)的“門檻”，使得這一技術(shù)能夠滲透到電機(jī)應(yīng)用的更多場(chǎng)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(shí)現(xiàn)出色的寬帶性能，并通過新一代信號(hào)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(shí)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(dòng)器、微蜂窩基站以及小型蜂窩末級(jí)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(tái)上的制造商編號(hào)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(jí)LNA和大功率SPDT開關(guān)。QPB9378TR13在低增益模式下，具有第二級(jí)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(shì)。

通信技術(shù)的未來發(fā)展

正如中國(guó)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(yàn)，不能簡(jiǎn)單地再將峰值速率提高1,000倍為目標(biāo)，還得考慮如何才能滿足大眾的應(yīng)用需求?！憋@然，包括當(dāng)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(shí)延、超大容量以及和人工智能技術(shù)的深度融合等會(huì)為每一代通信技術(shù)帶來巨大的改變，當(dāng)然還會(huì)有更多的原始創(chuàng)新技術(shù)加入進(jìn)來。

在可預(yù)見的6G時(shí)代，超大規(guī)模MIMO和波束成形技術(shù)依然會(huì)是通信基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)的核心技術(shù)，而幫助實(shí)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(tái)上，又四散到每一個(gè)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(jí)迭代。