5G 毫米波技術及基站解決方案

濾波器 2021-10-26 06:30

進階BLE開發：DA1459x 外設、功耗與工程實戰 一杯咖啡的時間，搞懂行波測距新趨勢

自 5年前開始，網絡逐漸從 4G 網絡往 5G 網絡過渡，當中最明顯的一個變化就是網絡頻率的增加。在 4G 時代，我們主要使用的 2.6GHz 及以下的頻率，而到了 5G 時代，頻段已經擴展到 Sub 6GHz，毫米波的到來更是將網絡頻率提升到 28GHz、39GHz 等更高頻段。

進入 5G 時代，另一個明顯的變化就是頻寬的增加。在 4G 時代，網絡的帶寬都是 2×20MHz，到了 5G 時代，頻寬則獲得了大幅提升。例如 3.5GHz 網絡的帶寬就已經高達 200MHz，有些 OEM 廠商更是帶來了 300MHz 和 500MHz 這樣的帶寬。毫米波的引入更是可以將網絡帶寬擴展到 2GHz。

在這種情況下，基站整版效率的改善，也是大家的一個重要關注點。

“要達成設計者的目標，這就涉及 PA 等關鍵器件的性能提升。在 4G 時代，大家在基站里基本都是用 LDMOS 的 PA，而進入 5G 時代，大家都將目光投向了適用頻段更高，效率更優的 GaN PA。”Qorvo 無線基礎設施事業部工程師經理荀穎（Jenny Xun，以下都用 Jenny）說。她進一步指出，從產品形態上看，5G 的基站較之以往網絡的同類產品有了前所未有的轉變。在 4G 時代，基站的布置都是以宏基站搭配微基站配置為主流。但進入 5G 時代，基站形態更加多樣化。sub 6G mMIMO，室內小基站以及 mmWave 基站將會在其中發揮重要的作用，這也給廠商們帶來了機會。

“天線陣列的變化則是 5G 的另一個明顯轉變。在 4G 時代，基站最多使用 8×8 的陣列，但到了 5G，陣列擴展到 32×32，甚至 64×64，有些毫米波應用場景的天線陣列更高。”Jenny 說。

在這些技術轉變背后，伴隨而來的是相關市場需求的增長。

如上圖所示，5G 帶來了各種各樣的需求，其中毫米波 RU 的出貨量更將獲得明顯的增長。下圖則給我們帶來了這個市場的詳細表現。

從地域上看，在 2025 年之前，主要以北美市場為主，這與美國現在已經商用了 5G 毫米波有很重要的關系。而在 2025 年之后，我們可以看到，隨著中國、日本和韓國的加大投入，亞太地區將會迎來 5G 毫米波 RU 的爆發。下圖還從功率和架構這兩個不同角度，展示了 5G 毫米波 RU 的發展趨勢。

Jenny 在會議上指出，按照發射功率和掃描角的需求，我們可以把 5G 毫米波的應用分成以下幾種：一種是高功率的城市宏基站，這種場景下對 EIRP 的要求很高，達到 65dBm。其對垂直和水平的掃描角度也有嚴格要求；另一種用例則是面向農村的高功率宏基站，這種用例同樣有高功率的 EIRP（65dBm），但在這種用例下，對垂直方面的掃描要求沒那么高；第三種是低功率的室外宏基站，其 EIRP 需求只有 45dBm；此外，還有一種是室內的小基站和 Repeater，這種用例對 EIRP 的需求范圍是 45dBm 到 52dBm。

“我們可以做出預測，網絡覆蓋永遠是領先于容量需求的。為此我們需要先解決 5G 毫米波的信號覆蓋需求，才有可能迎來市場容量的提升。”Jenny 說。

Jenny 進一步表示，從下圖，我們可以看到 Sub-6GHz 和毫米波的混合組網形態。當中 Sub-6GHz 網絡是用來保證網絡覆蓋和基本的連接，讓人無論走到哪里都能獲得 5G 信號。頻率大于 6GHz 的毫米波頻段則是用來滿足如體育場、大型商場和飛機場等大吞吐量的應用場景。

“面對 5G 的多樣化布網需求，Qorvo 的多樣化產品布局能夠給開發者提供全方位的支持”，Jenny 說。從她的介紹我們得知，首先在工藝上，Qorvo 能提供包括 GaAs、GaN、BAW、TC-SAW、SOI、SiGe 和 CMOS 等在內多種工藝，可以制造滿足 5G 頻段需求的各種射頻器件；來到封裝方面，Qorvo 同時還有塑封、空腔等封裝技術，滿足各種器件的不同封裝需求。

接下來，我們以 5G 給 PA 設計帶來的挑戰為例，說明 Qorvo 在射頻領域方面的實力。

如下圖所示，隨著網絡的演進，信號帶寬大幅度提升，這就給 PA 的線性提出了更高的要求。在這個過程中，PAR 也在同步增加，要在這種情況下保證信號回退的效率，這同樣給 PA 的效率提出了更高的要求。此外，因為載波聚合、熱功耗和尺寸的需求，5G 給 PA 設計帶來了前所未有的新挑戰。

“為此，我們不但要求 PA 擁有更高的效率和頻率，同時還要求有更大的視頻帶寬，同時還需要有更好的寬帶線性化技術。在這種場景下，GaN PA 就能發揮重要作用”，Jenny 說。

如上圖所示，運營商在實際工作中，希望擁有更低的運營成本、更低的資本支出、更高的可靠性、更高的數據吞吐，這正是 GaN 解決方案所具備的。從下圖，我們更是看到基站在不同場景下對不同工藝的需求，作為一個行業專家，Qorvo 能夠提供全面的技術覆蓋，幫助客戶解決相關問題。由此圖也可以看到 GaN PA 在 5G 時代的重要意義。

熟悉 GaN 的讀者應該知道，當前的氮化鎵器件有不同的襯底，其中 Qorvo 專注的 SiC 基 GaN 在 PA 應用上擁有巨大的價值，當中就包括了高效率、高帶寬和協助打造小尺寸設備的特點。這主要與 SiC 基 GaN 擁有更低的寄生電容、更低的 RF 損耗、更高的擊穿電壓和更好的熱傳導性有關。Qorvo 的 GaN 器件，則能更好的體現上述的 GaN 優勢。Qorvo 還能根據不同的應用場景需求，提供不同的方案以供選擇，這從下圖可以看到。

“基于這些技術布局，Qorvo 能夠為客戶提供覆蓋多個頻段的，包括 FEM、PA、開關和 LNA 在內的各類產品。此外，技術更優的集成化方案也是 Qorvo 發力的一個方向。這些方案在成本上和功耗上有獨到的優勢，也能幫助客戶更快地把產品投入市場，這恰好都是客戶所需要的”,Jenny 在會議上指出。

從發展歷程上看，Qorvo 的 PA 已經進行了多次的演進，那么驅使其進步的背后驅動力是什么？在談到這一點的時候，Jenny 表示，這主要與公司對 PA 要達成的目標有一貫的堅持——那就是希望公司的 PA 能夠擁有高功率和高效率，用較小的陣列去實現高 EIRP，進而帶來更大的覆蓋范圍。所以，實現較小的陣列尺寸和更小的整板功耗，是 Qorvo 做產品研發的時候所重點關注的。