5G無線：從Sub-6 GHz到毫米波市場機(jī)遇與技術(shù)挑戰(zhàn)

對于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)而言，第4代氮化鎵技術(shù)和多功能相控陣?yán)走_(dá)(MPAR)架構(gòu)可提升射頻性能和裝配效率——DavidRyan，MACOM高級業(yè)務(wù)開發(fā)和戰(zhàn)略營銷經(jīng)理解說道，向5G移動網(wǎng)絡(luò)的推進(jìn)不斷加快，無線吞吐量和容量會呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。在短期內(nèi)，我們將看到Sub-6GHz無線基礎(chǔ)設(shè)施開始部署，以彌補(bǔ)現(xiàn)有4GLTE網(wǎng)絡(luò)與未來毫米波(mmW)5G實(shí)施方案之間的帶寬差距，后者采用的頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于6GHz。

Sub-6GHz基礎(chǔ)設(shè)施將繼續(xù)利用2.5至2.7GHz的大量可用頻譜，同時增加3.3至3.8GHz的頻率，在某些地區(qū)甚至達(dá)到4.4至5GHz。中國移動計劃于2017年和2018年進(jìn)行主要試點(diǎn)部署，pre-5Gsub-6GHz基礎(chǔ)設(shè)施有望提高傳統(tǒng)手機(jī)頻段的頻譜效率，并且在可比較的頻率帶寬范圍內(nèi)，能夠以比現(xiàn)有4GLTE快10倍的數(shù)據(jù)速率擴(kuò)展容量和覆蓋范圍。Sub-6Ghz的5G無線基礎(chǔ)設(shè)施將采用波束成形方案進(jìn)行廣泛部署，采用該方案可以大大擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和建筑內(nèi)部穿透能力。

5G無線：從Sub-6GHz到毫米波市場的

機(jī)遇與技術(shù)挑戰(zhàn)

雖然3GPP聯(lián)盟的第一套5G標(biāo)準(zhǔn)(第15版)預(yù)計在2018年6月才會獲得批準(zhǔn)，而且mmW頻率的5G網(wǎng)絡(luò)在幾年之內(nèi)都不會成為商業(yè)主流，但當(dāng)今正在開發(fā)演示系統(tǒng)和前期標(biāo)準(zhǔn)，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一些重要的里程碑節(jié)點(diǎn)。早些時候，Verizon和AT&T已經(jīng)公布了部署5GmmW技術(shù)的測試/試驗(yàn)，主要是針對固定無線應(yīng)用，旨在與傳統(tǒng)有線電視運(yùn)營商進(jìn)行競爭，為每個家庭提供同時觀看多個4K視頻所需的帶寬。5G也可能用于在人口稠密的環(huán)境中提供海量容量，例如體育場館和地鐵購物中心。隨著技術(shù)的發(fā)展，未來的用途將更加明顯。

然而，5G不僅僅表示頻率更高的更快網(wǎng)絡(luò)。其關(guān)鍵特性之一是，5G將使運(yùn)營商以新的方式從網(wǎng)絡(luò)獲利，并通過聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)切片等新功能來發(fā)展商業(yè)模式。憑借將物理網(wǎng)絡(luò)劃分為幾個虛擬移動網(wǎng)絡(luò)的功能，運(yùn)營商可以利用消費(fèi)者用戶使用的同一硬件基礎(chǔ)設(shè)施，為企業(yè)客戶提供廣泛的服務(wù)質(zhì)量(QoS)和安全/加密選項(xiàng)。長期來看，聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)切片功能還可以在運(yùn)營商之間實(shí)現(xiàn)更大的共享平臺，使他們能夠在各個國家之間協(xié)調(diào)分配網(wǎng)絡(luò)資源，從而為用戶提供無縫5G漫游體驗(yàn)。

大規(guī)模MIMO也帶來了巨大挑戰(zhàn)

Sub-6GHz和mmW5G系統(tǒng)將依靠相控陣技術(shù)來優(yōu)化信號鏈路和數(shù)據(jù)速率，該技術(shù)利用了在3D-MIMO(多輸入多輸出)架構(gòu)中配置的大量天線元件。傳統(tǒng)的基站可容納兩個到八個發(fā)射器和接收器，而3D-MIMO系統(tǒng)可配備64個發(fā)射和接收(T/R)元件，并且可擴(kuò)展到128或256個元件。這些陣列天線配置增加了可用的T/R路徑的數(shù)量以最大化數(shù)據(jù)速率，并且實(shí)現(xiàn)了對5G價值主張至關(guān)重要的高級波束成形功能-不過，這類系統(tǒng)的復(fù)雜性和密度為設(shè)計和裝配帶來了諸多挑戰(zhàn)。

考慮到在緊密聚集的天線配置中減小元件與元件之間的空間，特別是在較高頻率的條件下減小空間，3D-MIMO系統(tǒng)需要緊湊的前端解決方案。這反過來又產(chǎn)生了與產(chǎn)生顯著射頻功率(在某些情況下，每個元件高達(dá)5W)和在小區(qū)域中進(jìn)行散熱等相關(guān)的散熱挑戰(zhàn)。

最終裝置的裝配是另一個主要挑戰(zhàn)。64天線陣列將容納64個功放、64個開關(guān)和64個低噪聲放大器等器件。如此之多的射頻組件和射頻接口使最終產(chǎn)量面臨很低的風(fēng)險。當(dāng)一些基站OEM廠商具備可以組裝數(shù)千個組件并在內(nèi)部處理PCB封裝的生產(chǎn)能力時，其他OEM廠商會選擇采購?fù)耆M裝的模塊作為其無線電設(shè)備中的功能塊，以降低復(fù)雜性和產(chǎn)量風(fēng)險。通過利用更高級別的組件，可將組件故障定位到各個64個子系統(tǒng)中，因此，與因一個單個故障就會損害由數(shù)千個單獨(dú)元件組成的組件相比，可以更容易地對電路板進(jìn)行返工。

第4代氮化鎵優(yōu)勢

就半導(dǎo)體層面而言，第四代硅基氮化鎵(Gen4GaN)已經(jīng)作為LDMOS的明確替代者來服務(wù)于針對5G部署的下一代基站，尤其對于3.5GHz及以上頻率，LDMOS存在固有技術(shù)限制。第四代氮化鎵技術(shù)通過4GLTE基礎(chǔ)設(shè)施確立了相對于LDMOS的領(lǐng)先優(yōu)勢，其在功率密度、節(jié)省空間和能源效率方面具有顯著優(yōu)勢，而且還有助于實(shí)現(xiàn)優(yōu)于LDMOS的成本結(jié)構(gòu)。

第四代氮化鎵的原始功率密度比當(dāng)前LDMOS技術(shù)的原始功率密度高百分之十分，每單位面積可將功率提高4到6倍，也就是說，氮化鎵裸片尺寸為LDMOS裸片尺寸的1/6至1/4。第四代氮化鎵具有更高功率密度特性，能夠?qū)崿F(xiàn)更小器件封裝，因而非常適用于3D-MIMO天線系統(tǒng)。

此外，第四代氮化鎵與LDMOS相比，效率提高了百分之十以上。如果加以適當(dāng)利用，這種頻效差量能夠在系統(tǒng)層面上對商業(yè)5G應(yīng)用產(chǎn)生巨大影響，特別是對于多封裝層需要專門解決高溫問題的解決方案(例如第四代氮化鎵，能夠使器件工作在較高結(jié)溫條件下)的高級裝配，更是如此。

最后要說明的是，器件設(shè)計師利用第四代氮化鎵技術(shù)可實(shí)現(xiàn)寬帶寬，這一點(diǎn)至關(guān)重要，運(yùn)營商可借此過渡到頻段更寬的更高頻率，進(jìn)而能夠靈活地實(shí)現(xiàn)更廣泛的載波聚合頻帶?；诘壍墓Ψ排c基于LDMOS的器件相比，支持的帶寬更寬，因而減少了覆蓋5G基站內(nèi)主要手機(jī)頻段所需的部件數(shù)量。

MPAR裝配效率

我們知道，就大規(guī)模MIMO5G系統(tǒng)的架構(gòu)和裝配而言，與專用于軍用和民用空中交通管制應(yīng)用的新一代多功能相控陣?yán)走_(dá)(MPAR)系統(tǒng)具有很多相近之處。Sub-6GHz3D-MIMO系統(tǒng)尤其適合采用MPAR設(shè)計和裝配策略(假定這兩種技術(shù)涵蓋的頻帶范圍均為2.6到3.5GHz)，并且這類系統(tǒng)共用一個64天線架構(gòu)。

第一代MPAR系統(tǒng)在由成百上千個T/R元件組成的平面配置中采用了可微縮平面陣列(SPAR?)片。MACOM和麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室合作開發(fā)的SPAR片技術(shù)憑借高級射頻裝配以及大規(guī)模商業(yè)級封裝和制造技術(shù)，提供了成本敏感型的全新相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)開發(fā)方法。

SPAR片避免使用傳統(tǒng)縫隙陣列架構(gòu)，而是采用天線元件和射頻波束成形器借此來集成在單個多層射頻板中的平面片式陣列架構(gòu)。通過這種方式，可使用符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制造流程將T/R模塊以SMT形式安裝到PCB，這簡化了系統(tǒng)裝配過程并且最大限度降低了產(chǎn)量風(fēng)險。這種相控陣實(shí)現(xiàn)方式縮短了上市時間，并大幅降低了成本，可推動MPAR技術(shù)成為商業(yè)應(yīng)用(如sub-6GHz無線應(yīng)用)中的主流技術(shù)。

對于采用sub-6GHz和mmW頻率的5G系統(tǒng)，其從半導(dǎo)體層面到器件封裝和最終系統(tǒng)裝配，都面臨多種特有的設(shè)計挑戰(zhàn)。我們在氮化鎵和相控陣技術(shù)(例如MPAR)領(lǐng)域不斷進(jìn)行創(chuàng)新，這有助于充分挖掘5G的潛力，可使基站OEM利用能夠簡化設(shè)計和制造流程的模塊化子系統(tǒng)，在緊湊外形的條件下實(shí)現(xiàn)功率輸出和能源效率的最佳平衡。