5G毫米波天线应该选择什么架构

　　业界普遍认为，混合波束赋形将是工作在微波和毫米波频率的5G系统的首选架构。这种架构综合运用数字 （MIMO） 和模拟波束赋形来克服高路径损耗并提高频谱效率。如图1所示，m个数据流的组合分割到n条RF路径上以形成自由空间中的波束，故天线元件总数为乘积m × n。数字流可通过多种方式组合，既可利用高层MIMO将所有能量导向单个用户，也可以利用多用户MIMO支持多个用户。

　　接下来我们将考察一个简单的大规模天线阵列示例，借以探讨毫米波无线电的最优技术选择。现在深入查看毫米波系统无线电部分的框图，可以看到一个经典超外差结构完成微波信号到数字信号的变换，然后连接到多路射频信号处理路径，这里主要是运用微波移相器和衰减器来实现波束赋形。传统上，毫米波系统是利用分立器件构建，导致其尺寸较大且成本较高。这样的系统里面的器件使用CMOS、SiGe BiCMOS 和 GaAs等技术，使每个器件都能得到较优的性能。例如，数据转换器现在采用CMOS工艺开发，使采样速率达到GHz范围。上下变频和波束赋形功能可以在SiGe BiCMOS中有效实现。根据系统指标要求，可能需要基于GaAs功率放大器和低噪声放大器，但如果 SiGe BiCMOS能够满足要求，利用它将能实现较高的集成度。对于5G毫米波系统，业界希望将安装在天线基板背面，这要求微波芯片的集成度必须大大提高。例如，中心频率为 28 GHz的天线的半波阵子间距约为5 mm。频率越高，此间距越小，芯片或封装尺寸因而成为重要考虑因素。理想情况下，单波 束的整个框图都应当集成到单个IC中；实际情形中，至少应将上下变频器和RF前端集成到单个RFIC中。集成度和工艺选择在某种程度上是由应用决定的，在下面的示例分析中我们将体会到这一点。

　　⊙ 天线阵子增益 = 6 dBi（瞄准线）

　　⊙ 波形PAPR = 10 dB（采用QAM的OFDM）

　　⊙ P1dB时的功率放大器PAE = 30%

　　⊙ 发射/接收开关损耗 = 2 dB

　　⊙ 发射/接收占空比 = 70%/30%

　　⊙ 数据流 = 8

　　⊙ 各电路模块的功耗基于现有技术。

　　该模型以8个数据流为基础来构建，连接到不同数量的RF链。模型中的天线数量以8的倍数扩大，最多512个元件。图2显示了功率放大器线性度随着天线增益提高而变化的情况。注意：由于开关损耗，放大器的输出功率要比提供给天线的功率高2 dB。当给天线增加元件时，方向性增益随着X轴对数值提高而线性提高，因此，各放大器的功耗要求降低。