如何管理5G天線設(shè)計(jì)的功耗

據(jù)業(yè)界預(yù)測(cè)，與目前的無線網(wǎng)絡(luò)容量相比，新興的5G無線標(biāo)準(zhǔn)承諾可以向更多的用戶，以更高的數(shù)據(jù)速率，提供更高的數(shù)據(jù)—到2025年帶寬將增加1000倍。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的一種方法是使用大規(guī)模MIMO，即使用由各獨(dú)立信號(hào)驅(qū)動(dòng)的單元陣列組成的天線。這種天線陣列可以形成多個(gè)信號(hào)波束。大規(guī)模MIMO可以應(yīng)用在存在大量散射的環(huán)境中，也就是說即使信號(hào)被建筑物和其它物體散射的條件下，也同樣可以通過多條路徑到達(dá)每個(gè)用戶。在目標(biāo)用戶位置，來自所有這些路徑的信號(hào)有益地疊加在一起，從而實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率。在遠(yuǎn)離目標(biāo)用戶的地方，信號(hào)是不相關(guān)的，僅是增加了背景噪聲。

運(yùn)營(yíng)商想通過這種方式來持續(xù)改進(jìn)他們的服務(wù)，不過這也需要付出一定的代價(jià)，特別是在基站和終端設(shè)備的復(fù)雜性和相關(guān)功耗不斷提高的情況下。

那問題的關(guān)鍵是什么呢？在模擬域可以做多信道相移，即接收發(fā)送過來的數(shù)據(jù)流，以天線陣列中的單元數(shù)量對(duì)它進(jìn)行劃分，然后對(duì)每份數(shù)據(jù)流進(jìn)行相移處理(見圖1)。這種方法是可行的，但缺乏靈活性，它只能處理一個(gè)數(shù)據(jù)流，因此也只能產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)波束。如果系統(tǒng)需要處理多個(gè)數(shù)據(jù)流，用一個(gè)陣列產(chǎn)生多個(gè)波束，我們就需要采用數(shù)字波束成形，如圖2所示，其中天線陣列中的每個(gè)單元都有自己的收發(fā)器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器組。

圖1：適合5G天線陣列的模擬域相移。(來源：AMPLEON)

圖2：數(shù)字波束成形陣列的基本架構(gòu)。(來源：AMPLEON)

更高的復(fù)雜性將導(dǎo)致更大的功耗，因此，需要加以有效控制，以減少環(huán)境影響和運(yùn)營(yíng)成本，以及冷卻挑戰(zhàn)。

評(píng)估天線陣列的冷卻需求

就拿工作在30GHz的4×4天線陣列面板來說，它們的天線單元之間的距離是半個(gè)波長(zhǎng)，即5mm。要想使用數(shù)字波束成形，那么每個(gè)單元都需要2個(gè)DAC(用于I和Q)、2個(gè)ADC、1個(gè)鎖相環(huán)、1個(gè)低噪聲放大器、1個(gè)功放、1個(gè)發(fā)送/接收開關(guān)以及一些放大器和包括濾波器在內(nèi)的其它電路。基于成本和尺寸的原因，針對(duì)每個(gè)單元的電路理想情況下應(yīng)該在一個(gè)芯片上。天線組裝時(shí)應(yīng)該將16個(gè)芯片均勻地排放在面板上，以便它們與對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)的天線單元都有最短的連接，它們產(chǎn)生的熱量也能夠均勻的散發(fā)，如圖3所示。

圖3：4×4天線陣列面板，上面有均勻分布的天線單元和一個(gè)中央處理單元。(來源：AMPLEON)

如果每個(gè)功放的峰值輸出功率約為20dBm，并采用目前最先進(jìn)的技術(shù)制造，那么這樣一個(gè)面板的總體功耗將是3W至4W。這已經(jīng)假設(shè)使用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器具有有限的位深，因?yàn)檠芯勘砻鳎?dāng)使用多個(gè)天線單元而不是單根天線時(shí)，我們可能需要較低的分辨率就可以向接收機(jī)提供相同的信號(hào)完整性。然而，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器仍然需要工作在較高的速度，以便處理較大的信號(hào)帶寬。在發(fā)送時(shí)功放占約75%的總功耗，因?yàn)楹撩撞l率的效率非常低。

Doherty電路架構(gòu)和包絡(luò)跟蹤等技術(shù)可以用來提高功放的效率，但它們需要精心設(shè)計(jì)數(shù)字預(yù)失真電路，才能達(dá)到可接受的雜散信號(hào)電平，但這種電路本身也會(huì)耗電。從這點(diǎn)來看，這些技術(shù)的好處會(huì)被實(shí)現(xiàn)它們的能源成本所抵消，因此基本上沒有益處。這種4×4陣列例子非常接近于轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因此應(yīng)用這種節(jié)能功放架構(gòu)沒有什么意義。即使是簡(jiǎn)單的純線性AB類放大器也要求某種類型的能效線性化。幸運(yùn)的是，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)可能使用TDD，而且功放只是部分時(shí)間工作。

在我們的設(shè)計(jì)例子中，400mm2的面板上產(chǎn)生的熱量在3W至4W之間。出于成本、能耗(要用風(fēng)扇)和可靠性的原因，我們想進(jìn)行被動(dòng)的冷卻。我們可以用帶散熱片的鋁板做到這一點(diǎn)，這種材料具有約60 W/m2K的冷卻能力。假設(shè)60℃的環(huán)境溫度 (想像夏天安裝在中東地區(qū)屋頂上的基站吧)，以及天線面板與收發(fā)器芯片之間連接點(diǎn)100℃的溫度，速算結(jié)果表明，我們可以冷卻0.25 W/cm2，或者陣列需求的約四分之一。為了散發(fā)整個(gè)3.5W的熱量，我們需要約1400mm2的冷卻面板。

解決這個(gè)問題的一個(gè)途徑是搭建一個(gè)合適尺寸的面板來冷卻電路，然后讓電路驅(qū)動(dòng)一個(gè)單獨(dú)的、更小的天線陣列面板。對(duì)4×4單元陣列來說這是起作用的，但對(duì)于有數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)天線的陣列來說這種做法就不實(shí)用了。

搭建一個(gè)稀疏天線陣列

一種解決方案是使用稀疏陣列架構(gòu)，這種架構(gòu)中的天線間距要比發(fā)射波長(zhǎng)大得多，但天線陣列仍不應(yīng)該產(chǎn)生不需要的旁瓣或緊鄰發(fā)射波束的波瓣，以避免干擾。

單元間距等于或大于發(fā)射波長(zhǎng)λ的天線陣列很容易產(chǎn)生不想要的波瓣—如果天線單元以不均勻的柵格布放。如果單元間隔是不均勻的，就像圖4所示的150個(gè)單元組成的“向日葵陣列”那樣，那么平均單元間距可以更大，本例是5λ，不會(huì)有波瓣的困繞[1]。

圖4：非均勻天線陣列，以向日葵方式建模。(來源：AMPLEON)

為了設(shè)計(jì)向日葵陣列，天線單元沿費(fèi)爾馬螺旋曲線布放(見圖5)，因此每一圈都會(huì)包含相同數(shù)量的面積。各個(gè)單元位于螺旋線上的角度χ的倍數(shù)點(diǎn)，χ等于4π/(3+√5)，即所謂的黃金角。

圖5：費(fèi)爾馬螺旋線。(來源：AMPLEON)

向日葵陣列具有幾乎均勻的功率密度，如果所有單元都被激勵(lì)到相同電平，它可以簡(jiǎn)化冷卻機(jī)制，并高效地使用總孔徑。這種安排不會(huì)產(chǎn)生不想要的波瓣，它的波束角度也可以像密集陣列那樣得到控制。這使得向日葵陣列成為稀疏陣列一個(gè)很好的候選品種，這是被動(dòng)冷卻5G毫米波天線面板所需要的陣列。
稀疏陣列的3dB波束寬度反比于孔徑尺寸A，這意味著使用它們進(jìn)行冷卻更容易，也意味著接受更窄波束的設(shè)計(jì)折衷。使用針對(duì)范圍為150米的接入點(diǎn)的合理假設(shè)，簡(jiǎn)單計(jì)算就可以表明，最大可實(shí)現(xiàn)的波束寬度可能是5到8度------很有效的一種筆形波束。

本文小結(jié)

在5G系統(tǒng)得到現(xiàn)場(chǎng)部署之前還面臨許多研究挑戰(zhàn)。對(duì)物理硬件來說最重要的挑戰(zhàn)是降低功耗，并為陣列面板開發(fā)低成本的裝配技術(shù)。

參考文獻(xiàn)
[1]Maria Carolina Vigano, 適合多波束衛(wèi)星應(yīng)用的向日葵陣列天線, PhD Thesis TU Delft,2011, ISBN 987-94-6113-030-3