高頻段5G終端射頻實現與挑戰

邢金強++馬帥++肖善鵬

【摘 要】高頻段（大于6 GHz）由于資源較豐富，各國家都將其作為后續5G部署的重點頻段，但高頻段具有與目前移動通信使用頻段不同的特性，給終端射頻的實現帶來了挑戰，因此基于5G頻譜規劃情況，首先分析了高頻段大傳播損耗等的空間傳播特性，進一步研究了高頻段功率放大器等終端射頻器件材料工藝及性能的變化，以及對射頻架構及天線子系統等產生的影響，最后提出了可能的5G終端射頻實現架構。

【關鍵詞】5G終端 射頻 高頻段

1 5G頻譜規劃情況

目前國際上考慮可能應用到5G的頻譜分為6 GHz以下頻段（sub-6 GHz）和6 GHz以上頻段（高頻段），其中6 GHz以下頻段包括了目前移動通信的頻段及3 GHz至6 GHz頻段，高頻段主要集中在30 GHz、40 GHz、70 GHz以及80 GHz附近。

在頻譜規劃上，各國家重點有所不同。美國、日本、韓國等國家著力推進28 GHz毫米波頻段用于熱點高容量及最后一公里接入。我國及歐盟重點推動sub-6 GHz頻段用于廣覆蓋。歐盟將3.4 GHz—3.8 GHz作為主力頻段，也計劃將700 MHz頻段用于廣覆蓋。國內來講，3.4 GHz—3.6 GHz已經確定為5G試驗頻段，

3.3 GHz—3.4 GHz、4.4 GHz—4.5 GHz、4.8 GHz—4.99 GHz等也有望成為5G潛在頻段。雖然6 GHz以上的高頻段尚未明確，但由于其存在大量的可用頻譜，及早啟動對高頻段研究和器件準備對于5G發展也有重要意義，因此本文接下來將基于5G頻譜規劃情況，對高頻段5G終端射頻的實現與挑戰進行分析。

2 高頻段傳輸信道

6 GHz以上的高頻段信道不同于sub-6 GHz信道，其具有傳播損耗大、傳播方向性強以及空間相關性高等特點。

如圖1所示，30 GHz波段相比2.6 GHz，傳播損耗高37 dB左右，穿透損耗高12 dB左右，這導致毫米波頻段最有可能用作熱點覆蓋而不是廣覆蓋，這對終端提出了更高的要求，即需要有更高的發射功率或具備更多的天線（下一章節將討論射頻器件的性能，從中可以分析出高頻段的射頻器件性能會有所降低，這也導致終端多天線構成的波束賦形成為必選方案，這一部分將在4.2節做進一步的討論）。

通過信道測量也發現，6 GHz以上的高頻段具有更強的傳播方向性，其散射及折射特性弱、多徑特征不明顯，這也意味著其不適合高階MIMO的使用。此外，從表1可以看到，6 GHz以上的高頻段的時延擴展、角度擴展低，導致毫米波頻段具有更高的空間相關性，無法實現單用戶多流數據傳輸。

3 高頻段射頻性能

第2節中提到，高頻段的傳播損耗增加導致小區覆蓋減小，要求終端具備更高的發射功率，而6 GHz以上的高頻段射頻器件相比sub-6 GHz其性能更加惡化，典型問題是相位噪聲增加、輸出信號射頻指標惡化。從圖2可以看到，30 GHz相位噪聲相比3 GHz會惡化高達20 dB。

相位噪聲指系統（如各種射頻器件）在各種噪聲作用下引起的系統輸出信號相位的隨機變化，通常描述射頻信號的三要素是幅度、頻率、相位。頻率和相位相互影響，理想情況下，固定頻率的無線信號波動周期是固定的，但實際情況是信號總有一定的頻譜展寬，這個展寬的無用信號叫邊帶信號，也叫相位噪聲。相位噪聲的大小可以反映出射頻器件的優劣：相位噪聲越小，射頻器件越好；而頻率越高，相位噪聲越嚴重。毫米波終端射頻器件性能比sub-6 GHz差。

以終端射頻功率放大器（PA）為例，目前主要采用GaAs材料，PA效率在sub-6 GHz可達30%～40%，而在6 GHz以上PA效率降到10%左右。此外，PA最大輸出功率也從28 dBm降低到了24 dBm以下，再考慮到6 GHz以上的高頻段射頻器件具有更高的插入損耗，終端的實際發射功率能力大大降低。如何提升PA效率及最大輸出功率能力是擺在業界的一個難題，后續需要在材料或制作工藝上進行改進，如GaN等。GaN相比GaAs可以有更高的輸出功率（如50 dBm），但其要求的供電電壓需在10 V以上，如何在終端產品上進行應用有待進一步研究。不同頻段PA輸出功率及效率如表2所示：

不同頻段PA效率如圖3所示：

除PA外，濾波器工藝在毫米波頻段也需要改變。3 GHz以下，濾波器主流工藝包括SAW（聲表面波濾波器）、BAW（體聲波濾波器）和FBAR（薄膜體聲濾波器）。SAW是比較常用的普通濾波器，可滿足一般需求。對于濾波要求較高的場合（如B40和Wi-Fi共存）則需要用到BAW和FBAR。

以上工藝的內部電極間距和頻率成反比。6 GHz以上的高頻段頻段由于電極間距過小，溫度升高極易導致電極短路，此外毫米波也有小型化的要求，使得以上三種工藝已不再適用。但目前毫米波頻段的無線系統很少，使得對帶外輻射等指標的要求降低，可以考慮采用低溫共燒陶瓷（LTCC）濾波器以及PCB走線模擬LC濾波器等。

4 高頻段終端射頻實現

4.1 總體架構

影響終端射頻架構的因素有很多，包括工作頻段、雙工模式、上下行流數、天線類型、AD/DA等器件的能力都會對終端射頻架構產生比較大的影響。

從工作頻段和射頻器件能力角度看，現在LTE終端廣泛采用的零中頻架構（一次變頻，如圖4所示）將不再適用6 GHz以上的高頻段，更可能采用二次變頻方案（如圖5所示），即先將信號變頻到中頻（sub-6 GHz），然后再經過一次變頻到6 GHz以上的高頻段。在下行接收時先經過一次下變頻到中頻，然后經過二次變頻到基帶。為減少插損并降低射頻復雜度，預計后續射頻芯片會將二次變頻能力進行集成。

4.2 天線子系統

多天線是實現MIMO技術的必備條件。在第二部分已提到高頻段的傳播損耗及穿透損耗都遠高于sub-6 GHz頻段，這將導致高頻段小區的覆蓋相比sub-6 GHz頻段會減小很多。此外，如第三部分提到的，高頻段終端的射頻器件性能及成熟度都弱于sub-6 GHz頻段，PA效率降低、輸出功率不足也進一步縮小了網絡的上行覆蓋。因此，在毫米波頻段，終端將采用更多的天線構成天線陣，利用波束賦形增益來克服網絡覆蓋不足的問題。如圖6所示，典型的毫米波多天線子系統由移相器網絡和天線陣列構成，移相器網絡負責對映射到陣列天線的相位進行調整以實現波束賦形。

在sub-6 GHz頻段上，目前LTE終端具備一發兩收天線，能夠支持2×2MIMO。但目前手機已包含多達6個天線單元，如圖7所示，即LTE主天線、LTE輔天線、GSM天線、Wi-Fi/藍牙天線、GPS天線、NFC天線等，受終端尺寸和天線擺放位置的限制，在sub-6 GHz支持更多天線會是一個難點。相比之下，在高頻段多天線設計將變得相對容易。

高頻段天線尺寸比sub-6 GHz頻段天線小很多且將更多采用集成芯片天線陣，因此擺放位置更加靈活。如圖8所示，對于CPE等固定無線接入終端天線陣可以全位于背板，對于手機可以將多天線陣劃分為幾組分別位于手機頂部或側面等。此外，高頻段天線和sub-6 GHz天線共基板疊加設計也是潛在的解決方案，可有效緩解手機天線擺放的困難。

4.3 帶寬支持能力

前面提到，相對sub-6 GHz來說，毫米波頻段具有更多的可用頻譜，將采用更大的系統帶寬（如100 MHz—1 GHz）來實現更高的小區容量和峰值速率，而大帶寬將導致終端實現更加復雜。

終端對大帶寬的支持將有兩種方式，即單載波支持大帶寬或多載波支持大帶寬。

對于采用單載波支持100 MHz大帶寬的方式。首先，要求終端的PA及射頻芯片（RFIC）能夠支持100 MHz以上的工作帶寬。目前RFIC可實現對100 MHz帶寬的支持，但PA工作帶寬僅設計為40 MHz以支持上行CA，無法達到100 MHz的大帶寬。以目前的工藝可能難以用一個射頻鏈路實現100 MHz以上甚至1 GHz的工作帶寬，需要重新進行優化設計，包括工藝的改進等。

其次，大帶寬會導致AD/DA的采樣率成倍增加，這帶來功耗及成本的大幅增加。

再次，大帶寬也意味著大的數據傳輸速率，這對基帶處理能力也提出了很高的要求。

相比之下，多載波支持大帶寬可能是一個更為容易實現的方案。但多載波需要多個射頻通道并行工作，射頻的實現復雜度和成本將成倍增加。如圖9所示，多載波射頻架構相比單載波其鎖相環、濾波器、乘法器、ADC等都成倍增加。

5 結論

由本文分析可知，6 GHz以上的高頻段由于傳播及穿透損耗增大，使得終端需具備多天線等上行增強方案來克服小區覆蓋減弱的問題，空間信道粒子性增強波動性減弱的問題也導致了上下行高階MIMO的實現困難。此外，高頻段射頻器件工藝及性能等都不同于4G低頻段，相位噪聲的增加使得終端射頻器件性能有所降低，PA的材料將依然采用GaAs而輸出功率及效率卻不及低頻段，濾波器SAW及BAW等在低頻段廣泛應用的工藝也不再適用于高頻段，這些新的特點都將要求終端的射頻架構做出調整。毫米波終端的射頻架構將不得不采用新的二次變頻方案，多天線構成的波束賦形將是終端的必選，大帶寬也使得我們不得不思考成本與收益的平衡，如此種種都需要整個產業做進一步的研究，才能快速推動5G的順利商用。

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