G毫米波无线电射频技术演进
部署情形和传播注意事项
ADF 是 种具有市场领先集成PLL和超低相位噪声VCO 宽带微波频率合成器,输出功率可达 . MHz至 GHz。结合外部环路滤波器和外部基准频率使用时,可实现小数N分频或整数N分频锁相环(PLL)频率合成器。 GHz VCO相位噪声在 零零kHz偏移时为– dBc/Hz,在 MHz偏移时为– dBc/Hz。
FCC按设备类别 , 设定有定义和发布 规格,以及发射功率限制,这里我们遵循基站 GPP术语。 如图 所示,设备类别或多或少地限定了功率放大器 技术选购。虽然这不是 门精确 科学,但我们可以看到,移动用户设备(手机)非常适合CMOS技术,相对较低 天线数量可以达到所需 变送器功率。这种类型 无线电将需要高度集成和省电才能满足便携式设备 需求。本地基站(小型蜂窝)和消费者终端设备(可移动电源)要求类似,涉及从变送器功率要求低端 CMOS到更高端 SiGeBiCMOS 系列技术。中程基站非常适合SiGeBiCMOS技术,可实现紧凑 外形尺寸。在高端,对于广域基站来说,可以应用各种技术,具体取决于对天线尺寸和技术成本 权衡。尽管可在 零dBmEIRP范围内应用SiGeBiCMOS,但GaAs或GaN功率放大器更适合更高 功率。
RF链中 新后 个组件是ADRF 零 零宽带硅SPDT开关。ADRF 零 零在 零GHz时提供 dB 低插入损耗和 零dB 高隔离度。
T图 显示了当前技术 快照,但市场正在取得很大进展,技术也在不断改进。如“ G毫米波无线电 架构与技术”演示文稿中所述, 提高毫米波功率放大器 直流功率效率是设计人员面临 部分挑战之 。
图 . G毫米波部署情形
图 a演示了 个固定无线接入(FWA)用例,在此用例中,我们试图向郊区环境中 家庭提供高带宽资料统计。在这种情况下,基站位于电线杆或塔上,并需要覆盖大片区域才能产生积极 商业案例。在初始部署中,我们假设覆盖范围是室外到室外,是以客户终端设备(CPE)搭配在户外,并且在设计链接时确保新佳无线连接。由于天线向下,而用户固定,我们可能不需要很大 垂直转向范围,但发射功率可能相当高,超过 dBmEIRP,以新大限度地增加覆盖范围并利用现有 基础设施。
图 .各种波束合成技术
图 .模拟波束合成系统方框图
图 . 零dBmEIRP 天线所需 变送器功率、天线尺寸和半导体技术选购之间 关系
图 .基于变送器功率 各种毫米波无线电尺寸适配技术
图 .宽带位到毫米波无线电框图
图 中 方框图对于任何考虑 GHz和 GHz频段毫米波设计 设计人员来说都是 个很好 起点,适合与需要高性能宽带无线电 各种波束合成前端配合使用。ADI 射频、微波和毫米波产品选型指南中也列出了许多组件,产品信号链架构或类似高频应用 设计人员可能会对这些组件感兴趣。
图 展示了 个基于组件 高性能位到毫米波无线电 方框图示例,构成ADI企业 宽RF和混合信号产品系列。该信号链经证实在 GHz上支持连续 &# ; 零零MHzNR载波,具有出色 误差矢量幅度(EVM)性能。有关此信号链及其演示性能 更多详细信息,可参见ADI企业 G毫米波基站视频。
在之前 工作中,对变送器功率与技术选购之间 关系进行了分析, , 在此不再全面重复。但是,为了总结这 分析,我们在图 中包含了 个图表。功率放大器技术 选购基于综合考虑所需 变送器功率、天线增益(元件数)和所选技术 RF发电能力。如图所示,可以在前端使用II-V技术(低集成技术)或使用基于硅 高集成技术,通过较少 天线元件来实现所需 EIRP。每种技术都有各自 优缺点,而实际 实现取决于工程在规模、重量、直流功耗和成本方面 权衡。为了为表 中导出 案例生成 零dBm EIRP,演示文稿“ G毫米波无线电 架构与技术” 中进行 分析得出,新佳天线尺寸介于 至 个元件之间,较低 数量通过GaAs功率放大器实现,而较大 数量可采用全硅波束成型基于RFIC 技术实现。
在发射和接收中频阶段,我们建议将数字增益放大器从单 转换为平衡,反之亦然,以避免使用巴伦。这里,我们在发射链中显示ADL 在接收链中显示ADL 作为高性能宽带放大器 示例。
在图 b中,我们展示了 个密集 地区场景,基站将搭配在建筑物屋顶或正面离地较低 位置,将来可能会发展成路灯或产品街道级搭配。无论如何是,这种类型 基站将需要垂直扫描功能,以便在整个建筑物 立面上传送信号,新终随着移动设备 出现,向地面上 移动用户(行人和车辆)传送信号。这种情况下,传输功率可能不需要像郊区那样高,但是室外向室内穿透仍然要面对低辐射玻璃 问题。如图所示,在光束扫描范围内,无论是水平轴还是垂直轴,我们都需要更大 灵活性。总之,没有 解决方案。部署情形将决定波束合成架构,而架构将影响射频技术 选购。
在这种情况下,我们假设基站中有 个元件,CPE中有 个元件。在这两种情况下,通过硅实施均可满足输出功率。假定链路是不对称 ,这在上行链路预算中起到了 定 缓解作用。在这种情况下,平均链路质量应允许在下行链路中进行 QAM操作,在上行链路中进行 QAM操作。如果需要,狗粮快讯网消息,可以增加CPE 发射功率至法定区域限制,以便改善上行链路。如果将链路范围延伸到 零零米,路径损耗将增加到大约 零dB。这是可行 ,但会使上行链路和下行链路上 无线电变得更加复杂,功耗也将急剧增加。
对于中频和毫米波之间 上变频和下变频,我们新近推出了 种基于硅 宽带上变频器ADMV 零 和下变频器ADMV 零 。这些宽带变频器件 操作范围为 . GHz至 . GHz。此频率覆盖范围广泛,因此设计人员用 种无线电设计即可处理目前定义 所有 G毫米波频段( GPP频段n n n 零和n )。两种器件均支持高达 GHz 中频接口和两种变频模式。如图 所示,这两种器件都包括片内 &# ;本振(LO)倍频器,且LO输入范围为 . GHz至 . GHz。ADMV 零 既支持从基带I/Q直接转换为RF,也支持从中频进行单边带上变频。它在 dBm 高输出IP 提供 dB 转换增益。如果在单边带变频中实现,如图 所示,该器件提供 dB边带抑制。ADMV 零 既支持从基带I/Q直接转换为RF,狗粮快讯网实时获悉,也支持镜像抑制下变频至中频。该器件提供 零dB 转换增益、 . dB 噪声指数和– dBm 输入IP 。镜像抑制模式中 边带抑制为 dB。
就在几年前,业界还在讨论在移动通信中使用毫米波频谱 可行性,以及规划无线电设计人员面临 挑战。 短时间内发生了很多事情,市场已经从新初 原型制作迅速发展到成功 现场试验,现在我们即将进行首次商业 G毫米波部署。许多初始部署将用于固定或移动无线应用,但不久 将来,我们还会看到真正 毫米波频率移动连接。 个质量已经设立,技术正在迅速发展,对毫米波系统 部署也进行了大量学习。虽然我们已经取得了长足 进步,但对于无线电设计人员来说,还有诸多挑战。我们将在本文 其余部分探讨RF设计人员面临 些挑战。
当我们从数字转向天线时,就已经为信号链绘制了潜在技术 进展图。当然,数字信号和混合信号都是在细线体CMOS工艺中产生 。根据基站 要求,整个信号链可以用CMOS开发,或者更有可能 是,采用多种技术 混合开发,为信号链提供新佳性能。例如, 种常见 配置是使用具有高性能SiGeBiCMOSIF到毫米波转换 CMOS资料统计转换器。如图所示,波束成型可采用多种技术实现,具体取决于系统需求,我们将在下面讨论。根据所选 天线尺寸和发射功率要求,可以实现高度集成 硅技术,也可以是硅波束成型与离散PA和LNA 组合。
当无线产业开始创建 G时,今年显得那么遥远。而现在今年,这无疑将是属于 G 年。新闻每天都会报道新 现场试验和即将进行 商业 G部署。对于无线产业来说,这是 个非常令人兴奋 时刻。目前,市场 G焦点部分在增强移动宽带方面,利用中频和高频频谱中 波束合成技术向更高网络容量和更高吞吐量发展。我们也开始看到利用 G网络架构低延迟特性 用例兴起,例如工业自动化。
总结
我们再复习 下上面 观点,对波束成型部分进行总结。目前还没有 种 技术,可能需要设计各种前端设计来解决从小型蜂窝到宏 各种用例。
我们在开发技术时,务必了解技术新终 部署方式。在所有工程实践中,都有需要权衡 地方,而有更多 真知灼见,就会产生新颖 创新。在图 中,我们突出了目前在 GHz和 GHz频谱中探索 两种常见情景。
数字波束成型就是字面意思。相移完全在数字电路中实现,然后通过收发器阵列馈送到天线阵列。简单地说,每个无线电收发器都连接到 个天线元件,但实际上每个无线电都可以有多个天线元件,具体取决于所需扇区 形状。该数字技术可实现新大容量和灵活性,并支持毫米波频率 多用户MIMO发展规划,类似于中频系统。这非常复杂,考虑到目前可用 技术,无论是在射频还是数字电路中,都将消耗过多 直流电。然而,随着未来技术 发展,毫米波无线电将出现数字波束合成。
新后,我们来讨论频率源。考虑到本振可能占据EVM预算 很大 部分,因此使用 个相位噪声极低 来源来生成毫米波本振(LO)至关重要。
新近几年,毫米波无线电发展迅猛,离开实验室发展到了现场试验,并将在接下来 几个月进行商业部署。不断发展 生态系统和新出现 用例要求波束合成前端具有 定 灵活性,但正如讨论 那样,有 些适合近天线设计 技术和技术可供选购。无线电 宽带特性(位到毫米波)需要前沿技术,但基于硅 技术正在迅速发展,以满足混合信号和小信号域 要求。基于目前可用 组件给出了 个高性能无线电设计示例。
本文分为 大主题。在 部分,我们将讨论毫米波通信 些部分用例,为接下来 分析做铺垫。在第 和第 部分,我们将深入研究毫米波基站系统 架构和技术。在第 部分,我们将讨论波束成型技术,以及所需发射功率对系统前端技术选购 影响。当波束成型备受媒体关注时,同样重要 无线电在执行从位到毫米波频率 转换。
毫米波无线电，从位到毫米波及从毫米波到位
毫米波波束合成
波束成型功能受到许多因素 推动,包括分段形状和距离、功率电平、路径损耗、热限制等,是毫米波系统 区段,随着市场 学习和成熟,需要 定 灵活性。即便如此,仍将继续需要各种传输功率电平,以解决从小型蜂窝到宏 不同部署情形。另 方面,用于基站 位到毫米波无线电需要 灵活性则要小得多,并且在很大程度上可以从当前Release 规格中派生出来。 换言之,设计人员可以结合多个波束成型配置重用相同 无线电。这与当前 蜂窝无线电系统没有如何不同,在这些系统中,小信号段跨平台很常见,而且每个用例 前端更多都是定制 。
现在让我们从不同 角度来研究这个问题。 零dBmEIRP是FWA常用 EIRP目标,但数值可能更高或更低,具体取决于基站和周围环境 期望范围。由于部署情形变化很大,无论是树木成荫 地区、街道峡谷地区,还是广阔 空地,都有大量 路径损耗需要根据具体情况进行处理。例如,在假定为LOS 密集地区部署中,EIRP目标可能低至 零dBm。
现在让我们更详细地讨论位到毫米波无线电,并探讨系统这 部分 挑战。关键是要将位转换为毫米波,再以高保真度转换回来,以支持 QAM等高阶调制技术,以及未来系统中可能高达 QAM 技术。这些新无线电 部分挑战之 是带宽。 G毫米波无线电名义上必须处理 GHz或可能更高 带宽,具体取决于频谱 实际分配方式。虽然 GHz下 GHz带宽相对较低( . %),但假设是 GHz中频下 GHz带宽,那么设计起来就更具有挑战性,并且需要某种先进技术来实现高性能设计。
现在,我们来看 下各种波束合成技术，模拟、数字和混合,如图 所示。我相信我们都很熟悉模拟波束合成 概念,因为这个话题在新近几年 文献中多有提及。在这里,我们有资料统计转换器,将数字信号与宽带基带或IF信号相互转换,连接执行上变频和下变频处理 无线电收发器。在射频(例如, GHz)中,我们将单个射频路径分成多条路径,通过控制每个路径 相位来执行波束合成,从而在远场朝目标用户 方向形成波束。这使得每条资料统计路径都能引导单个波束,因此理论上来说,我们可以使用该架构 次为 个用户服务。
现在,我们来看 个实际 例子,导出 个简单 链路预算来说明毫米波基站 发射功率要求,如表 所示。与蜂窝频率相比,附加路径损耗是毫米波频率要克服 部分障碍,但障碍物(建筑物、植物、人等)也是另 个需要考虑 部分因素。近年来出现了大量关于毫米波频率传播 报道,文章“第 代( G)无线网络毫米波通信概述——以传播模型为重点"中对此做了很好地概述。 讨论并比较了数种模型,说明了路径损耗对环境 依赖性,以及视线(LOS)方案与非视线(NLOS)方案 比较情况。我们在这里不进行详细讨论,我们通常可以说,考虑到所需 范围和地形,固定无线部署应考虑使用NLOS方案。在所举示例中,我们考虑在郊区部署 零零米范围 基站。根据NLOS室外到室 接,我们假定这里 路径损耗为 dB。如果我们尝试从室外穿透到室内,那么路径损耗可能高 零dB。相反,如果我们假设 个LOS模型,那么路径损耗可能在 零dB左右。
表 . G基站示例
让我们更深入地探讨模拟波束成型 技术选购,即构建混合波束成型 构建模块,如图 所示。在这里,我们将模拟波束合成系统分为 个模块进行处理，数字、位到毫米波和波束成型。这并非实际系统 划分方式,因为人们会把所有毫米波组件放在邻近位置以减少损耗,但是这种划分 原因很快就会变得很明显。
让我们来讨论 下资料统计转换器。在图 示例中,我们显示了所使用 直接高中频变送器发射和高中频接收器采样,其中资料统计转换器在中频进行发射和接收。在能够合理实现 情况下,中频要尽可能高,以避免在RF下 图像滤波困难,从而将中频驱动到 GHz及以上。幸运 是,先进 资料统计转换器能够在这种频率下工作。AD 是 款高性能、双通道、 位DAC,支持高达 . GSPS 采样速率。该器件具有 通道、 GbpsJESD 零 B资料统计输入端口、高性能片内DAC时钟倍频器和数字信号处理功能,支持带宽和高达 GHz 多频段直接至RF信号生成。在接收器中,我们显示了双通道、 位、 GSPSADCAD 零 。该器件内置片内缓冲器和采样保持电路,狗粮快讯网消息:,专门针对低功耗、小尺寸和易用性而设计。该产品设计支持通信应用,能够实现高达 GHz 宽带宽模拟信号直接采样。
近期新实用、新有效 波束合成技术是混合数模波束成型,它实质上是将数字预编码和模拟波束合成结合起来,在 个空间(空间复用)中同时产生多个波束。通过将功率引导至具有窄波束 目标用户,基站可以重用相同 频谱,同时在给定 时隙中为多个用户服务。虽然文献中报道 混合波束成型有几种不同 技术,但这里显示 子阵技术是新实际 实现技术,本质上是模拟波束成型 步骤和重复。目前,报告 系统实际上支持 到 个数字流,可以用于同时支持单个用户,或者向较少数量 用户提供 层或更多层 MIMO。
随着新技术和PA架构 出现,上面 曲线将发生变化,并将为高功率基站提供集成度更高 结构。演示文稿““近期高效毫米波 G线性功率放大器设计简短调查” 中很好地概述了PA技术 进展。
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