隨著 5G 的崛起，成為一名射頻工程師是一個激動人心的時刻。隨著我們踏上下一代無線通信系統5G的道路，工程界面臨著無數的挑戰和機遇。5G代表了移動技術的演變和革命，達到了無線生態系統各個成員迄今為止發布的各種高層次目標。

5G被廣泛視為無線的一代，它將使蜂窩擴展到一組全新的使用，案例和垂直市場。雖然5G通常出現在提供超寬帶服務的技術中，包括高清和超高清視頻流，但5G技術也將使蜂窩進入機器世界。它將有助于自動駕駛汽車，并用于連接數百萬個工業傳感器和眾多可穿戴消費設備，僅舉幾例。

通往5G的演進路徑包括在傳統蜂窩頻段中逐步增強4G，并將頻率擴展到3 GHz至6 GHz范圍內的新興頻段。大規模 MIMO 具有行業發展勢頭，將從第一個基于 LTE 的系統發展到采用旨在提高吞吐量、延遲和小區效率的新波形。

頻譜被視為蜂窩行業的命脈，傳統蜂窩頻段（sub-6 GHz）中的頻譜無法支持未來幾年呈指數級增長的需求。因此，目前正在研究6 GHz以上的頻段，以測試在6 GHz以上的頻率分配中部署無線接入的可行性。雖然6 GHz以下可用的全球頻譜約為數百 MHz，但20 GHz以上的潛在頻譜量為數十 GHz。馴服該頻譜被認為對于實現真正互聯世界的5G愿景至關重要。

因此，5G的一部分可能會在更高的頻率（可能高達毫米波）上運行，并且可能會采用與LTE不向后兼容的新空中接口技術。主要行業參與者之間討論的頻段包括更高的頻段，例如 10 GHz、28 GHz、32 GHz、43 GHz、46 GHz 至 50 GHz、56 GHz 至 76 GHz 和 81 GHz 至 86 GHz。然而，這些頻段目前處于提案階段，在無線電系統定義和標準審議之前，信道建模仍有許多工作要完成。國際電聯最近發布了一項5G標準化計劃，目標是在2020年左右發布第一代IMT-2020規范。

鑒于5G仍處于起步階段，在部署第一批商用系統之前，需要在信道建模，無線電架構定義以及最終芯片組開發方面完成大量工作。但是，已經商定了某些趨勢和要求，以及需要解決的問題，這些問題將導致最終的5G系統。

讓我們考慮微波和毫米波頻率的5G接入系統。在微波頻率下實現無線電接入的主要障礙之一是克服不利的傳播特性。這些頻率的無線電傳播受到大氣衰減、雨水、阻塞（建筑物、人、樹葉）和反射的高度影響。微波點對點鏈路已經部署多年，但這些通常是視線系統。它們是固定的，這使得鏈路易于管理，并且近年來已經開發了這些系統，它們使用高階調制方案支持非常高的吞吐量。這項技術不斷發展，我們將利用微波鏈路技術進入5G接入。

在周期的早期，人們已經認識到需要自適應波束成形來克服接入系統的傳播挑戰。與點對點系統不同，波束成形需要適應用戶和環境，以便向用戶提供有效載荷。業界普遍認為，混合MIMO系統將用于微波和低毫米波頻段，而在帶寬充足的V頻段和E頻段，系統可能只會采用波束成形來達到所需的吞吐量目標。

圖1.混合波束成形發射器框圖。

圖1中的圖描繪了混合波束成形發射器的高級框圖。接收器可以設想為相反的情況。MIMO 編碼與典型的數字無線電處理一起在數字部分執行。數字部分可能會處理來自饋送天線系統的各種數據流的大量MIMO路徑。對于每個數據流，DAC根據所選架構將信號轉換為基帶或IF頻率的模擬信號。信號被上變頻并分成組成RF路徑，以饋送單個天線。在每個RF路徑中，對信號進行處理以設置增益和相位，以形成天線的波束。

雖然框圖很簡單，但系統挑戰和權衡卻很復雜。在這個簡短的主題處理中，將只討論幾個問題，但讓我們專注于架構和無線電挑戰。設計該系統時，從一開始就要考慮到功耗、尺寸和成本，才能將這些系統變為現實，這一點至關重要。

雖然這種無線電目前可以使用ADI公司和同行的分立（主要是GaAs）器件為原型5G系統構建，但我們需要在微波空間中實現與蜂窩無線電相同的高集成度。高集成度和高性能是行業難以解決的問題。

但僅靠整合并不能解決行業面臨的這個問題。它需要智能集成。當我們考慮集成時，我們首先需要考慮架構和分區，以利用 ntegation 的好處。在這種情況下，還需要考慮機械和熱設計，因為電路布局和基板是相互關聯的。

首先，需要定義一個有利于集成的架構。如果我們考慮用于蜂窩基站的高度集成收發器IC的例子，許多使用零中頻（ZIF）架構來消除或最小化信號路徑中的濾波。特別是在微波頻率下，必須將RF濾波器中的損耗降至最低，因為RF功率的產生成本很高。雖然ZIF將減少濾波器問題，當然需要權衡LO抑制，但我們將問題從物理結構轉移到信號處理和算法上。在這里，我們可以利用摩爾定律，即無源微波結構不遵循相同的縮放動力學。有必要利用同時優化模擬和數字的能力來實現我們的目標。在蜂窩頻率下采用了許多算法和電路技術，可能會給微波空間帶來好處。

接下來，考慮半導體技術要求。如上所述，最先進的微波系統通常采用砷化鎵組件實現。多年來，砷化鎵一直是微波行業的支柱，但SiGe工藝正在克服高頻操作的障礙，在許多信號路徑功能方面可與砷化鎵相媲美。高性能微波SiGe Bi CMOS工藝可實現這些波束成形系統所需的高集成度，包括大部分信號鏈以及輔助控制功能。

可能需要砷化鎵PA，具體取決于每個天線所需的輸出功率。然而，即使是砷化鎵PA在微波頻率下效率低下，因為它們通常偏置于線性區域。微波PA的線性化是5G時代探索的成熟領域，比以往任何時候都更加成熟。

CMOS呢？它也是競爭者嗎？有據可查的是，CMOS適用于大批量縮放，這在60 GHz的WiGig系統中得到了證明。鑒于開發的早期階段和用例的不確定性，目前很難說CMOS是否或何時將成為5G無線電的技術選擇。首先需要在信道建模和用例中做大量工作，以得出無線電規格以及微波CMOS在未來系統中可能適用的位置。

5G系統中的最后一個考慮因素是機械設計和RF IC分區的相互依賴性。考慮到最小化損耗的挑戰，IC的設計需要考慮天線和基板，以優化分區。在50 GHz以下，天線將成為基板的一部分，預計布線和一些無源結構可能會嵌入基板中。在基板集成波導（SIW）領域正在進行大量研究，這些研究對這種集成結構很有希望。在這種結構中，可以將大部分射頻電路安裝在多層層壓板的一側，并路由到正面的天線。RF IC可以以芯片形式安裝在該層壓板上，也可以安裝在表面貼裝封裝中。在工業文獻中，有這種結構用于其他應用的很好的例子。

在 50 GHz 以上，天線元件和間距變得足夠小，可以將天線結構集成到封裝中或封裝上。同樣，這是一個正在進行的研究領域，可能會推動5G系統向前發展。

無論哪種情況，RF IC和機械結構都必須協同設計，以確保布線的對稱性并最大限度地降低損耗。如果沒有強大的3D建模工具進行這些設計所需的大量仿真，所有這些工作都是不可能的。

雖然這是對5G給微波行業帶來的挑戰的簡要看法，但未來幾年將有無限的機會帶來射頻創新。如前所述，嚴格的系統工程方法將通過利用整個信號鏈中的最佳技術來產生最佳解決方案。作為一個行業，從工藝和材料開發到設計技術和建模，再到高頻測試和制造，還有很多工作要做。所有學科在實現5G目標方面都可以發揮作用。

審核編輯：郭婷