高频段5G终端射频实现与挑战

邢金强++马帅++肖善鹏

【摘 要】高频段（大于6 GHz）由于资源较丰富，各国家都将其作为后续5G部署的重点频段，但高频段具有与目前移动通信使用频段不同的特性，给终端射频的实现带来了挑战，因此基于5G频谱规划情况，首先分析了高频段大传播损耗等的空间传播特性，进一步研究了高频段功率放大器等终端射频器件材料工艺及性能的变化，以及对射频架构及天线子系统等产生的影响，最后提出了可能的5G终端射频实现架构。

【关键词】5G终端 射频 高频段

1 5G频谱规划情况

目前国际上考虑可能应用到5G的频谱分为6 GHz以下频段（sub-6 GHz）和6 GHz以上频段（高频段），其中6 GHz以下频段包括了目前移动通信的频段及3 GHz至6 GHz频段，高频段主要集中在30 GHz、40 GHz、70 GHz以及80 GHz附近。

在频谱规划上，各国家重点有所不同。美国、日本、韩国等国家着力推进28 GHz毫米波频段用于热点高容量及最后一公里接入。我国及欧盟重点推动sub-6 GHz频段用于广覆盖。欧盟将3.4 GHz—3.8 GHz作为主力频段，也计划将700 MHz频段用于广覆盖。国内来讲，3.4 GHz—3.6 GHz已经确定为5G试验频段，

3.3 GHz—3.4 GHz、4.4 GHz—4.5 GHz、4.8 GHz—4.99 GHz等也有望成为5G潜在频段。虽然6 GHz以上的高频段尚未明确，但由于其存在大量的可用频谱，及早启动对高频段研究和器件准备对于5G发展也有重要意义，因此本文接下来将基于5G频谱规划情况，对高频段5G终端射频的实现与挑战进行分析。

2 高频段传输信道

6 GHz以上的高频段信道不同于sub-6 GHz信道，其具有传播损耗大、传播方向性强以及空间相关性高等特点。

如图1所示，30 GHz波段相比2.6 GHz，传播损耗高37 dB左右，穿透损耗高12 dB左右，这导致毫米波频段最有可能用作热点覆盖而不是广覆盖，这对终端提出了更高的要求，即需要有更高的发射功率或具备更多的天线（下一章节将讨论射频器件的性能，从中可以分析出高频段的射频器件性能会有所降低，这也导致终端多天线构成的波束赋形成为必选方案，这一部分将在4.2节做进一步的讨论）。

通过信道测量也发现，6 GHz以上的高频段具有更强的传播方向性，其散射及折射特性弱、多径特征不明显，这也意味着其不适合高阶MIMO的使用。此外，从表1可以看到，6 GHz以上的高频段的时延扩展、角度扩展低，导致毫米波频段具有更高的空间相关性，无法实现单用户多流数据传输。

3 高频段射频性能

第2节中提到，高频段的传播损耗增加导致小区覆盖减小，要求终端具备更高的发射功率，而6 GHz以上的高频段射频器件相比sub-6 GHz其性能更加恶化，典型问题是相位噪声增加、输出信号射频指标恶化。从图2可以看到，30 GHz相位噪声相比3 GHz会恶化高达20 dB。

相位噪声指系统（如各种射频器件）在各种噪声作用下引起的系统输出信号相位的随机变化，通常描述射频信号的三要素是幅度、频率、相位。频率和相位相互影响，理想情况下，固定频率的无线信号波动周期是固定的，但实际情况是信号总有一定的频谱展宽，这个展宽的无用信号叫边带信号，也叫相位噪声。相位噪声的大小可以反映出射频器件的优劣：相位噪声越小，射频器件越好；而频率越高，相位噪声越严重。毫米波終端射频器件性能比sub-6 GHz差。

以终端射频功率放大器（PA）为例，目前主要采用GaAs材料，PA效率在sub-6 GHz可达30%～40%，而在6 GHz以上PA效率降到10%左右。此外，PA最大输出功率也从28 dBm降低到了24 dBm以下，再考虑到6 GHz以上的高频段射频器件具有更高的插入损耗，终端的实际发射功率能力大大降低。如何提升PA效率及最大输出功率能力是摆在业界的一个难题，后续需要在材料或制作工艺上进行改进，如GaN等。GaN相比GaAs可以有更高的输出功率（如50 dBm），但其要求的供电电压需在10 V以上，如何在终端产品上进行应用有待进一步研究。不同频段PA输出功率及效率如表2所示：

不同频段PA效率如图3所示：

除PA外，滤波器工艺在毫米波频段也需要改变。3 GHz以下，滤波器主流工艺包括SAW（声表面波滤波器）、BAW（体声波滤波器）和FBAR（薄膜体声滤波器）。SAW是比较常用的普通滤波器，可满足一般需求。对于滤波要求较高的场合（如B40和Wi-Fi共存）则需要用到BAW和FBAR。

以上工艺的内部电极间距和频率成反比。6 GHz以上的高频段频段由于电极间距过小，温度升高极易导致电极短路，此外毫米波也有小型化的要求，使得以上三种工艺已不再适用。但目前毫米波频段的无线系统很少，使得对带外辐射等指标的要求降低，可以考虑采用低温共烧陶瓷（LTCC）滤波器以及PCB走线模拟LC滤波器等。

4 高频段终端射频实现

4.1 总体架构

影响终端射频架构的因素有很多，包括工作频段、双工模式、上下行流数、天线类型、AD/DA等器件的能力都会对终端射频架构产生比较大的影响。

从工作频段和射频器件能力角度看，现在LTE终端广泛采用的零中频架构（一次变频，如图4所示）将不再适用6 GHz以上的高频段，更可能采用二次变频方案（如图5所示），即先将信号变频到中频（sub-6 GHz），然后再经过一次变频到6 GHz以上的高频段。在下行接收时先经过一次下变频到中频，然后经过二次变频到基带。为减少插损并降低射频复杂度，预计后续射频芯片会将二次变频能力进行集成。

4.2 天线子系统

多天线是实现MIMO技术的必备条件。在第二部分已提到高频段的传播损耗及穿透损耗都远高于sub-6 GHz频段，这将导致高频段小区的覆盖相比sub-6 GHz频段会减小很多。此外，如第三部分提到的，高频段终端的射频器件性能及成熟度都弱于sub-6 GHz频段，PA效率降低、输出功率不足也进一步缩小了网络的上行覆盖。因此，在毫米波频段，终端将采用更多的天线构成天线阵，利用波束赋形增益来克服网络覆盖不足的问题。如图6所示，典型的毫米波多天线子系统由移相器网络和天线阵列构成，移相器网络负责对映射到阵列天线的相位进行调整以实现波束赋形。

在sub-6 GHz频段上，目前LTE终端具备一发两收天线，能够支持2×2MIMO。但目前手机已包含多达6个天线单元，如图7所示，即LTE主天线、LTE辅天线、GSM天线、Wi-Fi/蓝牙天线、GPS天线、NFC天线等，受终端尺寸和天线摆放位置的限制，在sub-6 GHz支持更多天线会是一个难点。相比之下，在高频段多天线设计将变得相对容易。

高频段天线尺寸比sub-6 GHz频段天线小很多且将更多采用集成芯片天线阵，因此摆放位置更加灵活。如图8所示，对于CPE等固定无线接入终端天线阵可以全位于背板，对于手机可以将多天线阵划分为几组分别位于手机顶部或侧面等。此外，高频段天线和sub-6 GHz天线共基板叠加设计也是潜在的解决方案，可有效缓解手机天线摆放的困难。

4.3 带宽支持能力

前面提到，相对sub-6 GHz来说，毫米波频段具有更多的可用频谱，将采用更大的系统带宽（如100 MHz—1 GHz）来实现更高的小区容量和峰值速率，而大带宽将导致终端实现更加复杂。

终端对大带宽的支持将有两种方式，即单载波支持大带宽或多载波支持大带宽。

对于采用单载波支持100 MHz大带宽的方式。首先，要求终端的PA及射频芯片（RFIC）能够支持100 MHz以上的工作带宽。目前RFIC可实现对100 MHz带宽的支持，但PA工作带宽仅设计为40 MHz以支持上行CA，无法达到100 MHz的大带宽。以目前的工艺可能难以用一个射频链路实现100 MHz以上甚至1 GHz的工作带宽，需要重新进行优化设计，包括工艺的改进等。

其次，大带宽会导致AD/DA的采样率成倍增加，这带来功耗及成本的大幅增加。

再次，大带宽也意味着大的数据传输速率，这对基带处理能力也提出了很高的要求。

相比之下，多载波支持大带宽可能是一个更为容易实现的方案。但多载波需要多个射频通道并行工作，射频的实现复杂度和成本将成倍增加。如图9所示，多载波射频架构相比单载波其锁相环、滤波器、乘法器、ADC等都成倍增加。

5 结论

由本文分析可知，6 GHz以上的高频段由于传播及穿透损耗增大，使得终端需具备多天线等上行增强方案来克服小区覆盖减弱的问题，空间信道粒子性增强波动性减弱的问题也导致了上下行高阶MIMO的实现困难。此外，高频段射频器件工艺及性能等都不同于4G低频段，相位噪声的增加使得终端射频器件性能有所降低，PA的材料将依然采用GaAs而输出功率及效率却不及低频段，滤波器SAW及BAW等在低频段广泛应用的工艺也不再适用于高频段，这些新的特点都将要求终端的射频架构做出调整。毫米波终端的射频架构将不得不采用新的二次变频方案，多天线构成的波束赋形将是终端的必选，大带宽也使得我们不得不思考成本與收益的平衡，如此种种都需要整个产业做进一步的研究，才能快速推动5G的顺利商用。

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