5G通信的觸角: 毫米波MIMO天線開關(guān)

5G是什么，有多快，距離我們還有多遠

如果你生活在2017的中國，那么你很有可能正在使用4G的移動網(wǎng)絡(luò)。簡單來講，5G就是4G的下一代通信技術(shù);復(fù)雜點現(xiàn)在不好講，因為相比4G通信的標(biāo)準(zhǔn)使用Long-Term Evolution Advanced (LTE-A),5G的標(biāo)準(zhǔn)還未落定，此時此刻各大公司和科研機構(gòu)正在為制定5G通信標(biāo)準(zhǔn)而日夜奮斗著。可以肯定的是，5G通信將大大提升通信速度和穩(wěn)定性。類似于4G技術(shù)對于3G的提升一樣，只是提升的幅度將更大。5G通信在人類生活中的重要性也將跨越式增長。

圖 3GPP公布的5G Logo

那么5G到底有多快? 由于標(biāo)準(zhǔn)尚未制定所以無法解答。只能從目前公布的一些實驗文件與采訪大致估計。三星實驗速率為7.5Gbps，諾基亞宣稱10Gbps，華為公司公布的速率為3.6Gbps。相比目前4G的最高速率300Mbps，速率至少增長12倍。當(dāng)然這個速率是實驗室數(shù)據(jù)，真正用戶體驗速率還會受到各種局限：如基站分布、環(huán)境衰減、終端基帶硬件軟件處理性能等。作為參考，目前最新的基帶Modem為高通驍龍X20，采用可支持1.2Gbps的LTE Category 18，大約每秒可下載150M Bytes的數(shù)據(jù)。除了速率的提升之外，5G還將在另外一個領(lǐng)域?qū)τ脩趔w驗進行改善——降低延遲。高速率與低延遲還會帶來很多意想不到的好處，譬如無人駕駛、智能定位、語音識別、AR、VR和智能制造等應(yīng)用也將得益于高速率低延遲的實現(xiàn)。工信部表示將在2020年啟動5G商用，2017年至2018年5G將在國內(nèi)開始測試，2019年進行預(yù)商用。ITU在2017年二月發(fā)布了一個文檔，對5G系統(tǒng)做了13項具體規(guī)范,其中包括：

· 20Gbps峰值下載速率

· 10Gbps峰值上傳速率

· 30bps/Hz峰值下行頻譜利用率

· 15bps/Hz峰值上行頻譜利用率

· 100Mbps用戶體驗到的下載速率

· 50Mbps用戶體驗到的上傳速率

圖 IMT-2020的目標(biāo)與當(dāng)前4G標(biāo)準(zhǔn)IMT-advanced對比

峰值速度看起來有點難度，但用戶體驗到的速率則完全是可以實現(xiàn)的。

技術(shù)角度看5G：網(wǎng)絡(luò), 頻譜, 調(diào)制與天線

5G應(yīng)用的帶寬與延遲需求

直觀來講5G對于目前的通信技術(shù)主要在兩個技術(shù)參數(shù)進行提升：

1.速率(帶寬)

2.延遲

以下是GSMA關(guān)于各種應(yīng)用的帶寬與延遲需求圖示：

圖 各種應(yīng)用的帶寬與延遲需求

據(jù)上圖可見，灰色部分的應(yīng)用：如無線云辦公、AR和無人駕駛這些應(yīng)用只有采用5G通信才能實現(xiàn)大規(guī)模的普及。

頻譜與提升覆蓋率的技術(shù)

5G究竟將使用哪個波段的載波?學(xué)術(shù)界、各大科研機構(gòu)和設(shè)備廠商正在在進行廣泛的探索。從6GHz到300GHz的范圍都有相關(guān)的研究實驗正在進行。載波頻率越高，帶寬極限越大，同時覆蓋的范圍(受傳輸限制)越小。

圖 當(dāng)前研究較為熱門的幾個頻段

在6GHz或更高的頻段，波束形成技術(shù)(beam-forming)將被采用來解決覆蓋方面的挑戰(zhàn)。所謂波束技術(shù)，即是將無線信號定向指向終端。此技術(shù)也將導(dǎo)致5G的成本相對之前的技術(shù)而增高，每時每刻都需要數(shù)百個波束追蹤單個移動終端使得基站的成本大幅提升。

圖 波束形成技術(shù)示意

MIMO(多入多出)也是被廣泛研究以提升帶寬的一種天線技術(shù)，這種技術(shù)采用大規(guī)模的天線陣列來提升帶寬，但這種技術(shù)目前仍有天線間互相產(chǎn)生射頻干擾的難題沒有完美解決。目前的研究焦點是將波束形成技術(shù)結(jié)合起來，使用軟件控制靈活調(diào)整天線的方向來解決。

圖 結(jié)合了波束形成技術(shù)的MIMO應(yīng)用示意

采用更高頻譜的出發(fā)點是更有效地利用頻段從而在實現(xiàn)更高帶寬與更低延遲的同時降低使用成本。但是正因為要使用更高頻段，所以目前使用的硬件都需要更新?lián)Q代，在初步實踐上卻是往增加成本方向發(fā)展。所以目前5G相關(guān)的研究中，盡快確定能夠有效利用波束形成與MIMO兩種技術(shù)的具體頻段是亟待解決的問題。另外，新的頻段萬一覆蓋不到的地方，也將使用低頻段的覆蓋進行補充。類似于目前偏遠地區(qū)無法4G覆蓋而使用3G/2G進行補充的做法。

圖 5G覆蓋不到使用低頻段進行補充覆蓋[!--empirenews.page--]

小于1ms的網(wǎng)絡(luò)延遲：如何實現(xiàn)與低延遲帶來的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改變

當(dāng)前的云計算的概念就是：數(shù)據(jù)在中心，終端通過基礎(chǔ)設(shè)施在任何地點任何時間來獲得數(shù)據(jù)與服務(wù)。但是考慮到5G網(wǎng)絡(luò)中的一些應(yīng)用關(guān)于小于1ms的延遲，這種結(jié)構(gòu)不能滿足需求。即使從現(xiàn)在到5G大規(guī)模應(yīng)用的期間，計算設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都繼續(xù)以摩爾定理飛速發(fā)展。但是有一個極限目前沒法跳過：就是光纖中光的傳播速度。所以目前的研究結(jié)論是，如果要使5G網(wǎng)絡(luò)中的<1ms延時成為現(xiàn)實，那么數(shù)據(jù)與用戶的距離要小于1千米。也就是你的最近的一個基站需要緩存所要的數(shù)據(jù)與服務(wù)，這一特性使得此類應(yīng)用的成本將非常高。而對于社交類的應(yīng)用，關(guān)于用戶數(shù)據(jù)的基站間漫游管理，目前的技術(shù)也需要根本性改變。拿著手機刷微博，那么經(jīng)過的每個基站可能都需要同步一份個人資料、所有微博、評論、點贊，而不是在需要的時候找中心要數(shù)據(jù)。極端情況下所有的運營商都將共用一個網(wǎng)絡(luò)，所有內(nèi)容都在這個網(wǎng)絡(luò)中，不然不能滿足小于1ms的網(wǎng)絡(luò)延遲要求。

5G系統(tǒng)中的核心器件：RF天線開關(guān)與其應(yīng)用舉例

如上述所言，載波聚合、波束形成、MIMO是5G射頻系統(tǒng)中重要的技術(shù)。而這些技術(shù)的應(yīng)用都離不開一個關(guān)鍵器件——RF天線開關(guān)。普通的開關(guān)用小按鈕;稍稍高頻(幾十MHz，幾百MHz)的開關(guān)用三極管、FET管搭建;如果頻率到了幾G幾十G的范圍，那么一般情況使用PIN二極管來做的開關(guān)。關(guān)于PIN二極管的詳細在下文討論，與普通開關(guān)類似，RF天線開關(guān)的種類也可以使用端子數(shù)目來分類：

圖 天線開關(guān)的一些常見類型

此處列幾個天線開關(guān)的應(yīng)用實例以說明RF天線開關(guān)的一些應(yīng)用。

手機終端的天線開關(guān)應(yīng)用

下圖是我們目前使用的手機中的RF天線開關(guān)，可以看出應(yīng)用場合大致三種：主開關(guān)，3G/4G切換開關(guān)，接收器信號復(fù)用開關(guān)。

圖 手機中的RF天線開關(guān)

載波聚合中的天線開關(guān)應(yīng)用

圖 載波聚合示意

波束形成技術(shù)中的天線開關(guān)應(yīng)用

下圖為復(fù)合使用了MIMO的波束形成技術(shù)的系統(tǒng)組成。

圖 波束形成技術(shù)的系統(tǒng)組成

詳細看，其中的天線開關(guān)應(yīng)用如下：

圖 波束形成技術(shù)中天線開關(guān)應(yīng)用示例

高頻天線開關(guān)市場上的主要廠家

業(yè)界稱此市場為Monolithic Microwave ICs (MMIC)。目前市場上的產(chǎn)品按照工藝主要分為以下幾類：

· GaAs 包括AlGaAs

· GaN 包括GaN-Si, GaN-SiC

· Si/SiGe 包括CMOS,LDMOS等

· 其他

重要的供應(yīng)商如下：

· MACOM

· ON Semiconductor

· OMMIC

· Qorvo(由TriQuint與RF Micro Device合并而來)

· Analog Devices

· Infineon (包括收購的IR)

· WIN Semiconductors

· Murata

· Mitsubishi

· Keysight

· Microsemiconductor

· Qualcomm(包括收購的NXP /Freescale)

· Kyocera

· Toshiba[!--empirenews.page--]

MACOM的毫米波天線開關(guān)新品MASW-011098

業(yè)界領(lǐng)先的無線射頻廠商MACOM近日推出了用于5G系統(tǒng)的毫米波天線開關(guān)MASW-011098，這里對這個器件的應(yīng)用與性能參數(shù)做一些簡介。此器件使用AlGaAs工藝制造，在這里我們同時使用另外一個使用Si材料制作的類似產(chǎn)品(ADRF5020)做參數(shù)上的一些對比以展示兩種材料的類似產(chǎn)品的參數(shù)的一些差別。下文以M器件與A器件分別指代以方便討論。

M器件主要應(yīng)用于26GHz-40GHz的頻段，所以也稱毫米波段射頻開關(guān)或者Ka波段射頻開關(guān)。根據(jù)MACOM的官方文檔，此器件主要的目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域為28GHz，37GHz 與39GHz 的5G射頻系統(tǒng)。

A器件的功能類似，但是頻率范圍為100MHz-30GHz。這是由于材料工藝上的局限，Si材料的射頻開關(guān)在工作頻率上并不能覆蓋目前所有5G所可能使用的頻段。

首先看兩者功能Block：

圖 M器件功能Block

圖 A器件功能Block

根據(jù)上圖所示，M器件的基本功能就是一個射頻開關(guān)。RFcommon為公共端，通過偏置控制腳來選擇公共端的信號與RF1或者RF2連接。注意其中電阻電容均為等效電路，實際的器件為AlGaAs工藝的PIN二極管。

A器件與之類似，所不同的是由于使用CMOS工藝制作，可以通過CMOS/TTL信號直接控制。而M器件需要額外增加直流偏置的方式來控制。

兩器件控制真值表：

圖 MASW-011098真值表

圖 A器件的控制真值表

兩器件的基本參數(shù)如下：

下面著重看看兩器件的幾個重點參數(shù)曲線。

插入損耗(開啟):

圖M器件的插入損耗

圖 A器件的插入損耗

插入損耗是指器件在射頻回路中對信號的損耗作用，此參數(shù)的絕對值越小越好。從上圖可以看出此器件在22GHz至40GHz之間插入損耗穩(wěn)定在-1dB左右。假設(shè)回路插入此器件之前的信號功率為PT，插入此器件之后的信號功率為PR，那么插入損耗的計算公式如下：

圖 插入損耗公式

注意：有些地方將PR與PT倒過來計算，MACOM的Datasheet經(jīng)常兩種方法混著使用。但是總而言之我們希望PT與PR比例越接近1越好，如此IL的絕對值也就越小。

假設(shè)按照典型損耗1.3 dB來計算：

PR = PT*0.74.

假設(shè)按照典型損耗2.0 dB來計算：

PR = PT*0.63

隔離度(關(guān)斷):

圖M器件的隔離度

圖 A器件的隔離度

隔離度這個參數(shù)好理解，就是開關(guān)關(guān)閉之后引腳之間的相關(guān)性。比如RF1與RFcommon相連之后，RF2與RFcommon信號的耦合的一個衡量參數(shù)。這個參數(shù)絕對值越大越好，這個參數(shù)越大表明關(guān)斷之后兩個引腳的信號耦合度越小。從上圖可以看出在M器件的設(shè)計工作頻段中，隔離-40dB左右。對于如此高頻信號來講此參數(shù)非常優(yōu)秀了。而A器件因為工作頻率較低，隔離可以達到60 dB甚至更高。但工作頻率不同不能相提并論，這里只是提供參考。

回波損耗：

圖M器件的回波損耗

圖A器件的回波損耗

回波損耗與插入損耗類似，回波損耗是指的插入該器件后其對反射回去信號的損耗度。因為反射回去的信號是不被希望的，所以反射越少越好，這樣希望回波損耗越大越好。計算公式跟插入損耗計算類似。這個參數(shù)可以簡單理解為器件對產(chǎn)生的反射的抑制或者衰減程度。

圖 回波損耗公式

上面公式中，Pi是產(chǎn)生的入射功率，Pr是實際反射回去的功率。跟插入損耗一樣，MACOM也混著使用Pi/Pr或者Pr/Pi。所以這個參數(shù)有時正有時負，只是絕對值越大越好。影響這個參數(shù)的主要因素是駐波比和材料的反射常數(shù)。

總體來講，M器件使用AlGaAs工藝，能在7W的功率提供類似于0.25W功率的CMOS工藝的產(chǎn)品的射頻性能，使得其適合應(yīng)用在基站類的場合。而CMOS工藝的A產(chǎn)品因為功率、頻率的因素，適合于應(yīng)用終端類的場合。CMOS工藝的產(chǎn)品目前成本較低，且能使用TTL/CMOS電平來控制，但是由于工藝上先天性的缺陷使得其會逐漸被AlGaAs，GaN這樣材料工藝的器件替代。[!--empirenews.page--]

RF天線開關(guān)：PIN二極管，硅(Si)，砷化鎵(GaAs)與砷化鋁鎵(AlGaAs)

PIN二極管

如前所述，目前5G的核心依舊在于新型的無線接口。目前研究的重點頻段在26GHz-40GHz，也就是所謂的Ka波段。2016年7月14日，美國的FCC為5G批準(zhǔn)的頻段正是28GHz, 37GHz和39GHz。

此處簡介一下Ka頻段的核心器件：PIN二極管天線開關(guān)。無論是波束形成還是MIMO都離不開這個器件。到目前為止的低頻射頻系統(tǒng)的天線開關(guān)主要采用的硅工藝的PIN(也稱為正-本-負)二極管，但是新型的GaAs與AlGaAs的器件與硅工藝的產(chǎn)品有顯著的優(yōu)點(與缺點)。這里先介紹一下子PIN二極管。

圖 PIN二極管示意圖

跟一般的二極管不同的是，PIN二極管故意把i區(qū)也就是本征區(qū)做得很寬。這樣做的結(jié)果是此二極管如果被用作一般的低頻線路，其特性會變?nèi)趸?。但是在高頻線路中，PIN二極管是目前性能最好的天線開關(guān)器件。原因在于導(dǎo)通時其等效為一個電感加一個電阻，關(guān)斷時其表現(xiàn)為一個電感+電阻+電容(某些文檔會把電感省去以方便討論)。除了用于高頻開關(guān)之外，還有用于光電感應(yīng)。但此處僅僅討論它作為高頻開關(guān)的特性。

它的特性主要由本征區(qū)的寬度來決定。假設(shè)i區(qū)寬度為W。

前向?qū)〞r的等效電路：

圖 前向?qū)ǖ刃щ娐?/p>

公式：

圖 前向?qū)ü?/p>

其中：

Q為電荷，單位為庫倫，W為本征區(qū)寬度，單位為微米，Un和Up分別為電子與空穴的移動常數(shù)。L為寄生電感，一般<1nHy。此公式在f>(1300/(W*W))MHz時候成立。

零或者負偏置時的等效電路：

圖 關(guān)斷時的等效電路

公式：

圖 關(guān)斷時公式

其中e是材料的介電常數(shù)，A為節(jié)點橫截面積，W依然為本征區(qū)寬度。

此公式在f>(1/2*Pi*p)時候成立，低于此頻率時PIN表現(xiàn)為一個變?nèi)荻O管。其中Pi為圓周率，p為本征區(qū)的電阻。Rp與偏置電壓成正比，與頻率成反比，一般實際應(yīng)用電路終此電阻因為遠高于Ct產(chǎn)生的阻抗而可以不計。

GaAs制作的PIN與Si材料PIN優(yōu)缺點對比

Si材料的PIN作為老牌的開關(guān)器件材料，在無線系統(tǒng)中做開關(guān)已經(jīng)很多年了。但是隨著頻率的提升，Si材料開始體現(xiàn)出一些局限性能。這些局限性體現(xiàn)在納秒級的所謂“快速”PIN二極管上。局限的原因在于從關(guān)斷轉(zhuǎn)至導(dǎo)通而需要消除的電荷的載流子的速度。本征區(qū)越窄，電荷越少，也就越快，但同時要保持一個30-100V的擊穿壁壘電壓，本征區(qū)又必須保持一定寬度。

優(yōu)點

· GaAs材料的本征帶隙比Si材料要高。意味著同等擊穿電壓的GaAs工藝PIN能夠使用更薄的本征區(qū)。也就是說能有更快的開關(guān)速度。同時此特性還能使得GaAs的PIN擁有更高的阻抗(即在低的前向偏置電壓下?lián)碛懈‰娙?，故此能夠使用一般的TTL電路來直接驅(qū)動。因為TTL電平的低允許有0.2-0.3V的偏置，這個偏置如果直接接在Si材料的PIN，那么會使得該PIN導(dǎo)通或者部分導(dǎo)通，從而使得關(guān)斷不完全，也就是降低了關(guān)斷阻抗。

· GaAs材料具有直接的少數(shù)載流子躍遷復(fù)合。此特性使得載流子的“壽命”被局限在10納秒內(nèi)。此“壽命”越短，也就意味著越快的電荷消除速度。

缺點

· GaAs材料的光生壽命是Si的100分之一到50分之一?？捎玫臄U散區(qū)長度也是Si的100分之一到50分之一。這一特性使得GaAs材料的PIN的本征區(qū)厚度的最高極限大大降低。目前實際能夠使用的GaAs的最高擊穿電壓只能做到150到250V。用Si材料可以做到4000到6000V。

· GaAs材料的熱阻大約是Si的三倍。使得GaAs材料的PIN的耗散功率因之被限制。

要指出的，目前在一般的RF應(yīng)用中，反向電壓與耗散功率并沒有超過GaAs的這些局限。

兩種材料的根本差別是載流子的躍遷復(fù)合方式，Si主要通過阱，GaAs主要通過直接復(fù)合。 直接復(fù)合的速度明顯要更快一些。

AlGaAs與GaAs

AlGaAs與GaAs的晶格常數(shù)非常類似，但是帶隙又增加了，故此相同擊穿電壓的PIN， AlGaAs材料的能夠做更窄的本征區(qū)以獲得更高的開關(guān)速度。另外根據(jù)研究證明，AlGaAs工藝的PIN在高頻時插入損耗更低。由于這兩者屬于類似的產(chǎn)品，此處不多展開討論。

除此之外，PIN的常用的制作材料還有GaN，SiGe，Si等等幾種以及其變種。

圖 常見的幾種PIN制作材料以及它們在MIMO應(yīng)用中的性能

由圖可知，GaN是目前最好的PIN的制作材料，但是目前價格較貴而且還有一些專利糾紛正在進行，故此目前應(yīng)用還不廣泛。除此之外，GaAs算是性能價格能找到平衡的目前最好的材料。AlGaAs是GaAs的一種改良型變種。性能最差的就是Si材料的也就是所謂的CMOS工藝。但是由于成本最低，在對性能不那么嚴(yán)苛的條件下也是可以使用的。[!--empirenews.page--]

總結(jié)與展望

5G通信關(guān)鍵技術(shù)取得持續(xù)進展，應(yīng)該說基礎(chǔ)架構(gòu)已經(jīng)完成?，F(xiàn)在還在探索的是已經(jīng)是工程實踐中的一些細節(jié)。隨著MACOM為代表的基礎(chǔ)器件廠商，華為高通為代表的基礎(chǔ)設(shè)備廠商的聯(lián)合運營商集體發(fā)力推進，可以預(yù)見5G的大規(guī)模應(yīng)用將很快到來。至少在中國的大城市，很有可能2020年之前就有成熟的網(wǎng)絡(luò)可以供用戶使用。

參考文章,鏈接與資源

1. http://www.trustedreviews.com/news/ces-las-vegas-2017-news-highlights-rumours-dates-schedule-preview .

2. R. Caverly and G. Hiller, “Establishing the Minimum Reverse Bias for a PIN Diode in a High Power Switch,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.38, No.12, December 1990 .

3. https://www.gsmaintelligence.com/research/?file=141208-5g.pdf&download .

4. “5G White Paper”, Next Generation Mobile Networks (NGMN) Alliance, March 2015. Available at http://ngmn.org/home.html

5. “Waveform contenders for 5G - OFDM vs. FBMC vs. UFMC”, F. Schaich, T. Wild, Alcatel-Lucent, 6th International Symposium on Communications, Control and Signal Processing(ISCCSP), May 2014.

6. “What will 5G be?” J. Andrews, S. Buzzi, W. Choi, S. Hanly, A. Lozano, A. Soong, J. Zhang, IEEE Journal On Sel. Areas in Comm., Vol. 32, No. 6, June 2014.

7. MACOM Announces SMT Packaged Millimeterwave Switch for 5G Wireless Demonstration Systems. http://ir.macom.com/releasedetail.cfm?ReleaseID=1014524.

8. “Iterative Precoding of OFDM-MISO with Nonlinear Power Amplifiers”, I. Iofedov, D. Wulich, I. Gutman, IEEE International Conference on Communications, June 2015.

9. “Channel coding with multilevel/phase signals,” G. Ungerboeck, IEEE Transactions on Information Theory, Vol 28, Issue 1, 1982.

10. https://www.macom.com/products/product-detail/MASW-011098.