用于 5G 無線電通信的新型改進(jìn)型多波段操作接收器

東京工業(yè)大學(xué)的研究人員在一項新研究中開發(fā)了一種基于諧波選擇技術(shù)的超寬帶接收器，以提高 5G 網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行帶寬。第五代 (5G) 移動網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在在全球范圍內(nèi)使用，頻率超過 100 Hz。為了跟上這些網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量，需要適當(dāng)?shù)慕邮掌?。在這方面，擬議的技術(shù)可能會徹底改變下一代通信的世界。

隨著下一代通信網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)，用于部署它們的技術(shù)也必須隨之發(fā)展。第五代移動網(wǎng)絡(luò)新無線電 (5G NR) 頻段不斷擴(kuò)展，以提高信道容量和數(shù)據(jù)速率。5G新空口要實現(xiàn)跨制式通信和全球應(yīng)用，多頻段兼容必不可少。

手機(jī)信號增強(qiáng)器的工作用原理是，把室外運(yùn)營商基站發(fā)出的信號，通過信號增強(qiáng)器中轉(zhuǎn)到?jīng)]有信號的地方，信號放大器通過它通過下行把基站的信號傳輸?shù)绞覂?nèi)，中間部分通過接收信號，濾波過濾信號，降噪等一系列電路設(shè)計，接收放大器所需要的信號，從而達(dá)到信號的覆蓋，通過這個原理，不管是什么頻段的信號，只要把里面的信道頻段換成所需要放大器的頻段，就可以實現(xiàn)信號的增強(qiáng)器，5G頻段是高頻段，達(dá)到3G-5G，信號放大器同樣可以把它置入到系統(tǒng)內(nèi)，來中轉(zhuǎn)5G信號，所以信號增強(qiáng)器是可以放大5G信號的。

2018年4月3日，工信部向中國移動發(fā)放FDD運(yùn)營牌照，允許中國移動在892-904/937-949MHz頻 段開展FDD業(yè)務(wù)。同時工信部對中國移動的FDD業(yè)務(wù)的應(yīng)用范圍做了限定，僅限在縣及縣以下區(qū)域開展 ， 城市區(qū)域僅開展NB-IoT業(yè)務(wù)。

同時，工信部要求中國移動加快進(jìn)行900MHz頻段的騰退工作，并將騰退904-909/949-954MHz的2×5MHz頻率資源分配至中國聯(lián)通，用于加大支持中國聯(lián)通4G網(wǎng)絡(luò)和蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

最近，毫米波 (mmW) 通信被認(rèn)為是管理 5G NR 網(wǎng)絡(luò)中大型設(shè)備之間不斷增長的數(shù)據(jù)流量的有前途的候選者。在過去幾年中，許多研究表明，相控陣架構(gòu)可提高毫米波頻率下 5G NR 通信的信號質(zhì)量。

不幸的是，多頻段操作需要多個芯片，這增加了系統(tǒng)的尺寸和復(fù)雜性。此外，在多頻帶模式下運(yùn)行會使接收器暴露在不斷變化的電磁環(huán)境中，從而導(dǎo)致串?dāng)_和帶有不需要回聲的雜亂信號。

為了解決這些問題，日本東京工業(yè)大學(xué) (Tokyo Tech) 的一組研究人員現(xiàn)已開發(fā)出一種新穎的“諧波選擇技術(shù)”，用于擴(kuò)展 5G NR 通信的操作帶寬。這項由 Kenichi Okada 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究發(fā)表在IEEE Journal of Solid-State Circuits上。

“與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，我們建議的網(wǎng)絡(luò)以低功耗運(yùn)行。此外，頻率覆蓋范圍使其與所有現(xiàn)有 5G 頻段以及指定為下一個潛在許可頻段的 60 GHz 兼容。因此，我們的接收器可以利用不斷增長的 5G 帶寬的關(guān)鍵，”岡田教授說。

為了制造所提出的雙通道多波段相控陣接收器，該團(tuán)隊使用了 65 納米 CMOS 工藝。芯片尺寸經(jīng)測量僅為 3.2 mm x 1.4 mm，其中包括具有兩個通道的接收器。

該團(tuán)隊采用三管齊下的方法來解決 5G NR 通信問題。第一種是使用諧波選擇技術(shù)，使用三相本地振蕩器 (LO) 來驅(qū)動混頻器。該技術(shù)減少了所需的 LO 頻率覆蓋范圍，同時允許多頻段下變頻。

第二種是使用雙模多頻帶低噪聲放大器 (LNA)。LNA結(jié)構(gòu)不僅提高了功率效率和帶間阻塞的容忍度(減少來自其他頻段的干擾)，而且在電路性能和芯片面積之間取得了良好的平衡。最后，第三個插腳是接收器，它利用 Hartley 接收器的架構(gòu)來改善鏡像抑制。該團(tuán)隊引入了單級混合型多相濾波器 (PPF)，用于邊帶選擇和鏡像抑制校準(zhǔn)。

該團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，所提出的技術(shù)優(yōu)于其他最先進(jìn)的多波段接收器。諧波選擇技術(shù)支持在 (24.25—71) GHz 之間運(yùn)行，同時顯示出高于 36 dB 的帶間阻塞抑制。此外，接收器消耗的功率很低(頻率分別為 28 GHz、39 GHz、47.2 GHz 和 60.1 GHz 時分別為 36 mW、32 mW、51 mW 和 75 mW)。

“通過將雙模多波段 LNA 與多相濾波器相結(jié)合，該設(shè)備比其他最先進(jìn)的濾波器更好地實現(xiàn)了對帶間阻塞的抑制。這意味著對于當(dāng)前使用的波段，抑制比在整個受支持的 (24–71) GHz 操作區(qū)域，50dB 和超過 36dB。隨著新的 5G頻段的出現(xiàn)，這種低噪聲寬帶接收器將被證明是有用的，”O(jiān)kada 教授總結(jié)道。