毫米波在5G应用中的关键技术

2019-02-14钟旻

数字通信世界 2019年1期

钟旻

1 引言

天线技术和射频收发信机电路技术，是5G中毫米波应用得以成功实现的关键技术。之前毫米波通信已有若干实际应用，以60GHz的应用为例，已有了军事上的战场通信，更为广泛的是商用WiFi传输，迄今的最新版本是802.11ad WiGig标准，利用60GHz频段约2GHz带宽资源，能提供高达6.75b/s的吞吐量，未来新的版本是802.11ay，将可提供20Gb/s的吞吐量。但5G中因网络拓扑更为复杂，对传输设备要求更高，使毫米波的运用面临更大的挑战。

2 毫米波天线技术[1][2][3]

在5G的应用中，无论是各种基站和包括手机在内的用户设备，都将会采用多天线结构，这是因为在电波传播中，毫米波遭遇比微波更为严重的自由空间传播损耗、大气吸收和降雨等衰减，以及地形地物的阻挡造成的传播损耗，需要高天线增益来克服或补偿；另一方面，由于毫米波波长较短，使天线较易具有“电小”特性，即有利于天线的小型化。例如，对于阵列天线，谐振型阵元的尺寸为半波长（λ/2），而为了避免产生栅瓣，天线阵元间相距（d）也为半波长（λ/2），当工作于毫米波频率时，与工作于微波频率相比，能在较小的空间里安装更多阵元。图1给出了基站用阵列天线与用户设备阵列天线在不同工作频率下的比较。由图1可见，随着工作频率的增加，二维天线尺寸明显下降。对于尺寸严格受限的手机等用户设备来说，为实现多天线工作提供了可能性；对于宏区基站，则可构成大规模天线阵列，产生三维空间大量可实现空分多址（接入）的多波束，凸显出毫米波应用的巨大潜力。

图1 基站用阵列天线与用户设备阵列天线在不同工作频率下的比较

在5G应用中，广泛地采用微带阵列天线产生波束扫描或多波束。此外，也有利用微带阵列与介质透镜组合获得波束扫描或多波束的功能。

2.1 微带阵列天线

矩形和圆形微带贴片可作为微带阵列天线的阵元。以矩形贴片为例，如图2（a）所示。贴片宽度为W，长度为λ/2，介质基片的相对介电常数＜10，例如相对介电常数为2.2的Rogers RT5880。理论分析表明，沿长度宽边两端的边缘（X方向）电场分量，因相位相同，在Z向的辐射场叠加，为最大的辐射方向。其辐射方向图如图2（b）所示。所谓天线辐射方向图（简称方向图），是指距离给定时天线的辐射特性，如场强幅度，辐射功率密度等。

图2 利用矩形金属贴片的微带阵元天线（a）和辐射方向图（b）

当利用多个单元排列组成阵列时，利用叠加原理，可求得总的方向图。以图3所示的N元等间距线阵为例。根据天线理论，在距天线足够远处（称为远区）的观察点的合成场强，等于直线阵中N个天线单元在该点产生场强的线性叠加。则此直线阵的辐射方向图最后表示为

则称为阵列因子，它仅与阵元个数、间距、激励电流的幅度和相位有关。图1便是利用矩形阵元构成的平面阵列天线，通过控制各阵元激励电流的相位，可获得所需要的扫描波束或多波束。

图3 N元等间距线阵列

2.2 相控阵天线

在上述等幅激励等间距直线阵中，若每阵元接入可控移相器，当激励电流在可控移相器的作用下相位随时间呈线性递增或递减时，天线方向图的最大指向（也即天线波束指向）也随之变化，即产生波束扫描。如图4所示。

图4 线阵天线在可控移相器作用下产生波束扫描

为产生多波束，通过计算，可设定每个可变移相器的相移值，将有关阵元收到的射频信号移相组合，或组合后再移相等处理，便可达到目的。以图5（a）所示的接收天线阵列为例，共有8个阵元，分别经过两两合路和移相，移相量分别为π/4、π/8、3π/8，最后形成图（b）所示的不同指向的8个接收波束的输出。图（a）中的混合器（电桥）和移相器构成了波束形成网络，它是由工作于毫米波的模拟电路实现的。所举例子是线阵列天线的情形，如推广到平面阵列，通过相应的波束形成网络，便可产生分布在三维立体空间的多波束。

图5 （a）利用移相器产生多波束举例（b）产生的8个不同指向的多波束

上述的波束扫描和多波束，是在射频上进行的，波束形成网络采用模拟元器件构成。实际上，也可用数字技术实现波束形成，这就是数字波束形成（DBF），此技术可应用于收、发模式。以接收模式为例，数字波束形成网络首先将天线阵列各单元信号变换为基带信号，然后通过专用的数字信号处理器（ASIC），对基带信号进行幅度和相位加权等处理，以实现所要求的波束指向和波束形状控制及多波束形成。由于模数转换器取样速率的限制，通常是将接收到的射频信号下变频到中频后，再进行A/D变换。

通常DBF分为单元空间波束形成和波束空间波束形成两种。前者，是将各天线阵元输出的数字信号与一组加权系数直接进行加权和运算，在特定方向形成波束，对波束指向的调整等处理。后者，即波束空间波束形成，对于接收模式，是将阵列天线阵元的输出信号，经过A/D变换后，送到数字信号处理器，经数字下变频为数字基带信号，在数字波束形成器中，再经加权合成得到期望输出。在发射模式中，波束也是受到基带处理控制，多数据流和波束是同时产生的。图6是其组成示意图。

在移动通信中，基站应能动态地对用户进行跟踪，保持二者波束对准（图7），以使双方获得最佳的通信效果。一个解决方案是将基站和用户的相控阵天线加入自适应控制功能。以接收系统为例，其组成如图7所示。图中，由自适应处理器输出一组加权系数W1，W2，…，WN，对信号进行加权，使最终的输出达到期望值。实际上，这种加权，也就是随时改变移相器的相移量，达到波束动态跟踪的目的，为此，自适应处理器要采用某种自适应准则的算法。

图6 数字多波束形成示意图（本图来源：http：//dune.ece.wisc.edu）

图7 基站与用户站的波束对准

图8 自适应天线的基本组成

2.3 大规模MIMO与波束形成

多输入多输出（MIMO）是收、发两端均采用多天线，同时实现发送分集和接收分集，达到同时获得分集增益、阵列增益和复用增益的效果。其中，阵列增益是通过波束形成，使信号能量集中到多个特定方向，为在不同方向的多个用户同时提供业务。这在5G中是特别具有应用价值的。之前我们曾经介绍过5G的一些典型的场景，其中超密集的小区和诸多宽带业务，需要同时提供巨大的频谱资源支持，这样，空分复用将派上大用场。毫米波因其波长短，而能构成数百阵元的阵列天线，实现大规模的MIMO，为数以百十计的用户提供接入支持（图9）。

图9 利用大规模MIMO实现空分复用接入

要指出，利用射频模拟网络形成的波束数较多时，硬件实现将变得十分复杂，且调整困难，容易出现元件老化、工作点漂移等问题。另一方面，在数字波束形成中，需要比模拟波束形成更多的ADC和DAC，从而增加功耗，甚至难以承受的程度，这对用户设备尤为突出。一种可能的解决方案是采用低功耗、低复杂度的的DBF，例如利用数比特ADC来获得一个较好的折衷。这样，可将模拟与数字波束形成结合起来，构成混合的波束形成，其典型方案如图10所示。

在混合式的波束形成中，为了简化结构，天线阵列与毫米波移相网络常采用两种基本连接方式：交织和分区子阵架构，如图11所示。交织构成的子阵方式中，子阵的阵元分布在整个天线阵列面上，等效天线口面较大，因而产生的每一个波束较窄，方向性较强；分区子阵中，每个子阵阵元分布较为规则，易于与移相器网络连接，但每一子阵的等效天线中面积较小，所得到的波束较宽。方向性不如交织方式。关于在手机中的应用，文献[4]提出了一种基于分布式相控阵列的MIMO，如图12所示。它最大可处理8路数据流，可减少人体对手机天线方向图遮挡的影响。

图10 模拟与数字混合的波束形成组成示意图

图11 天线阵列子阵的划分

图12 一种用于手机的基于分布式相控阵列的MIMO

3 毫米波收发信机器件与电路

毫米波收发信机的基本组成如图13所示。在2018年11月《数字通信世界》5G讲座“毫米波的传播特性（下）”文章中，式（20）、（21）、（23）中表明，当信道带宽一定时，为获得高的信噪比，收发设备应采用高增益天线，产生大的发射功率，尽可能低的接收系统内部噪声。射频发信机的基本作用，就是输出足够高的毫米波功率；接收机的基本作用，是将收到的微弱信号经滤波选出期望信号，将其放大到一定电平，同时只引入低的内部噪声，以便之后的解调、解码处理。可见，低噪声性能和输出功率电平分别是收发信机首要指标。为综合衡量收、发系统的性能，常引入[G/T]和[EIRP]这两个参数：

式中，[G]R是用分贝表示的接收天线增益；[T]是接收系统噪声温度的分贝值。

式中，[PT]是发射机输出射频功率的分贝数；[GT]是发射天线增益的分贝数。

要指出，对短距离的通信来说，还要求接收机的动态范围，即放大器输入-输出功率的非线性达标，这是因为，若输入功率过大，会产生非线性效应，如产生互调或信号波形的失真，故需规定最大的输入功率。

随着工作射频的升高，尤其是到达毫米波频段，低噪声放大和功率放大都将遇到很大的挑战。无论是功率放大（PA）或是低噪声放大（LNA），其性能取决于所用的半导体材料和工艺。通过新材料与新工艺的应用，将毫米波器件与电路的性能与集成度，推到了更高的水平。

图13 毫米波收发信机的基本组成

图14 给出了微波-毫米波半导体发展的趋向。

图14 微波-毫米波半导体的发展趋向

据报道，基于硅的互补金属氧化物半导体（CMOS）技术，可实现系统级封装集成，包括LNA、PA、混频器和中放。工艺成熟，成本较低，因而在毫米波电路中得到广泛的应用。图15给出了工作于60GHz的天线-射频模块和系统板照片。在射频模块中，每一收/发天线由4 个贴片阵元组成，增益6.5dB，波束宽度500，射频集成电路（RFIC）模块和基带集成电路（BBIC）模块分别用90nmCMOS和40nmCMOS工艺制作。在发射模式下，RFIC芯片功耗347mW，BBIC功耗441mW，[EIRP]=8.5dBW；在接收模式下，RFIC功耗mW，噪声系数7.1dB，BBIC功耗710mW。再看另一例子，图16所示利用CMOS 65nm工作于60GHz收发信机芯片照片。在3.2mmX2.8mm面积的印刷电路板上，构成了包括发射机、接收机和锁相源本振的系统集成模块。

图15 工作于60GHz的天线-射频模块和系统板照片[5]

图16 利用CMOS 65nm工作于60GHz收发信机芯片照片[6]

砷化镓（GaAs）单片微波集成电路（MMIC）技术，包括PA，LNA，用于数字衰减器和相移器的开关，压控振荡器（VCO）和无源器件，在数GHz到100GHz范围内占主导地位。在高频段，GaN的MMIC将将挑战GaAs技术，表1给出了GaN与其他可供应用的半导体材料若干性能的比较。

表1 GaN与其他可供应用的半导体材料若干性能的比较[7]

由表1可见，GaN具有较高的载流子迁移率和电子峰值速度，能构成“异质结”，获得高的功率密度和功率附加效率，这正是用来构成功放的突出优点。作为例子，图17是工作于W频段（80GHz）三级功放GaN单片集成电路图片和性能曲线，其饱和输出功率达25dBm，线性增益19.8dB，功率辅助效率14%，功率密度约2W/mm；图18是工作于31-36GHz GaN微带型单片集成平衡功放的电路图和输出的性能。其中采用了功率合成技术，在34GHz处输出功率达11W，增益14dB。

图17 工作于W频段（80GHz）三级功放GaN 单片集成电路图片和性能曲线[8]

图18 工作于31～36GHz GaN单片集成平衡功放合成输出的性能[8]

根据小区规模（链路传播距离）可选不同半导体材料，来制作产生不同功率电平的功放，如表2所示。

表2 各类小区对射频功率的需求和相应的候选半导体技术[9]

表2中所列的半导体材料，也适用于制作低噪声放大器。文献[10]报道了一种24-44GHz超宽带LNA，几乎同时覆盖5G蜂窝所需用频段，该LNA采用CMOS SOI技术，在24-47.5GHz带宽范围内，噪声系数小于5.5dB，（典型值4.7dB）。放大器尺寸为500X500μm2。一般，工作于毫米波频率时，单级放大器的增益较低（10dB以下），为能将接收到的微弱信号放大到足够高的电平，因而需采用多级级联，如图19所示，上述超宽带LNA由3级级联组成，除保证全频段达到20dB的增益外，还通过参差调谐来获得超宽带性能。其低噪声性能则如图20所示。

收发信机中，还有用于上/下变频的混频器、作为本振的压控振荡器（VCO），以及滤波器等无源器件，也是需要着力去实现的。为了发挥各种半导体技术的优势，可将天线和收发信机分解为若干子模块，用不同的材料和工艺制作，例如图21所示[11]。其中，数字波束形成、A/D和D/A变换模块可用CMOS技术，上/下变频和射频波束形成采用SiGe-BiCMO技术，收发前端（LNA、PA）采用GaAs/GaN技术，等等。