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5G给手机行业带来了新的射频挑战
材料来源:《微波杂志》2018年11/12月号           录入时间:2018/12/7 10:18:07

5G给手机行业带来了新的射频挑战

5G Brings New RF Challenges for Handsets

BenThomas,Qorvo,北卡罗来纳州格林斯巴勒市

在一定程度上,由于标准制定的速度加快,5G正迅速迈向全球部署,给智能手机制造商带来了许多新的射频(RF)挑战。移动运营商今年开始安装基础设施,首批5G手机有望于2019年推出。尽管在未来许多年内,4G LTE仍将是最主要的蜂窝网络接入技术,但据业内估计,5G智能手机的销量将稳步增长。最新的爱立信移动报告预测,到2023年底,5G移动用户数将超过10亿,占全球移动数据流量的20%。

随着首批5G部署即将问世,智能手机制造商面临巨大压力,他们需要制定实施策略,将5G技术应用到手机产品上。这不是一项简单的任务,因为5G会极大地增加射频的复杂性,在带宽、线性度和电源管理等方面带来挑战。

5G概况

针对5G规范所做的早期工作主要侧重于增强型移动宽带(eMBB),即第一个5G用例。eMBB提供的数据速率预计会达到现今LTE速度的20倍。于2017年12月发布的3GPP 15版(见1)的第一阶段包含了非独立(NSA)5G新无线电(NR)的草案规范。NSA利用LTE锚频段进行控制,并使用5G NR频段提供更快的数据速率(见2)。这是为了让运营商能够使用其现有的LTE网络来更快地提供5G速度。

图1 3GPP 5G标准时间线。

图2 NSA和SA实施选项(与LTE相比)。

2018年6月,3GPP接着推出了5G独立(SA) NR规范。SA无需LTE锚点,但需要建设一个全5G网络。如图1所示,该标准组还制定了未来18个月的时间线,包括“后期放弃”15版的额外特性,以及16版的工作计划,这些内容会开始将5G规范的范围扩展到移动宽带以外的各种新应用,包括自动驾驶汽车和物联网。

为了实现加快数据速度的承诺,以及支持更高的容量,5G将大幅增加用于手机通信的频谱范围和带宽。频谱分配到两个频率范围:低于6GHz,指定为FR1;毫米波,指定为FR2(见3)。最初的移动部署将使用FR1,其中包括若干3GHz以上的新5G频段。目前正在开发在手机中支持毫米波频率的技术方法,但该技术不如支持低于6GHz频段的技术成熟。

图3 5G频谱将包括6GHz以下和毫米波频率的新频段。

在FR1中,单个载波的最大带宽为100MHz,是LTE的最大带宽20MHz的5倍。5G规范强制要求手机支持频段在1GHz以上的2个上行载波和4个下行载波,以分别实现200和400MHz的总带宽。15版规范包含600多个新载波聚合(CA)组合,包括许多4G和5G波段的NSA组合。管理这一前所未有的带宽和CA组合所面临的挑战波及了整个射频子系统。5G定义了两种替代波形,这进一步增加了复杂性:CP-OFDM和DFT-s-OFDM。CP-OFDM在资源模块中提供了很高的频谱封装效率,并为MIMO提供了良好的支持。DFT-s-OFDM是用于LTE上行链路的同一波形,其频谱封装效率更低,但范围更广。

对手机设计的影响

5G将对手机射频前端(RFFE)产生巨大影响。该标准要求手机在基本同样大小的空间中解决额外的复杂射频问题(见4)。需要采用创新方法来支持多个同步上行链路和下行链路连接的要求,且RFFE在支持这种海量带宽的同时,需要提供非常高的线性度并管理好功耗。

图4 5G智能手机射频前端的复杂性,还不包括任何毫米波频段。

NSA双连接

尽管5G NSA为运营商提供了加快5G部署的方法,但也增加了射频复杂性,因为它要求实现LTE和5G双连接。在某些情况下,手机可能会在一个或多个LTE频段中传输数据,同时在一个5G频段上接收数据。这就大大增加了传输频率谐波降低接收器灵敏度的可能性。其中一个示例就是LTE频段1、3、7和20与新5G FR1频段n78的CA组合。n78占用的频率范围比LTE频段要高,且非常广泛,从3.3至3.8GHz。这样一来,在其中一个LTE频段上传输数据生成的谐波将更有可能落入n78频率范围。通过滤波来衰减谐波可能增加RFFE插入损耗、提高所需的功率放大器(PA)输出功率,并降低系统的总效率。

海量带宽和新波形

海量带宽、新CP-OFDM波形和更高输出功率相结合,给射频线性度和功率管理造成了重大挑战。4G手机广泛采用包络跟踪(ET)来最大程度降低PA功耗。ET通过不断调整PA电源电压以跟踪射频包络的方式来提高效率。但是,在首次部署5G时,包络跟踪器预计最大只能支持60MHz带宽,该带宽不足以支持100MHz的5G载波。因此,PA必须在固定电压平均功率跟踪(APT)模式下运行,以实现宽带传输,这会降低效率和缩短电池续航时间。

新的CP-OFDM波形拥有更高的峰均功率比(PAR),这进一步增加了难度。结合更高的信道带宽,5G需要比LTE更高的PA回退值,以避免超过规定限制,并维持高质量数据链路所需的线性度。最后,许多运营商都计划实施2级功率标准,以最大程度扩大5G手机的工作范围。2级功率让手机天线的输出功率翻倍,以克服更高频率的FR1频段遇到的传输损耗增大的问题。

增加带宽、新波形和更高输出功率这三种需求相结合,给PA设计带来了非常具有挑战性的线性度要求,且有可能会降低传输链效率。

4×4 MIMO

LTE需要两条下载通道,用于接收分集,而5G需要四条1GHz以上频段的独立射频下行链路,以通过4× MIMO和CA提供更高的数据速率。在某些频段上,5G还会指定两条可选的上行链路。手机制造商面临的挑战是如何将这些额外的信号路径装入分配给RFFE的有限空间中。

解决这个问题的关键在于提高集成度,即使用通常集成了PA、开关和滤波器的集成模块。除了节省空间和提高性能外,集成模块还提供预测试射频构建模块,这有助于手机制造商满足行业严苛的手机开发周期。以前从3G过渡到4G时,手机主要采用分立式元件,而此次过渡与之前不同,几乎所有手机制造商都一致认同使用集成式RFFE来加快其首批5G设备的上市速度。

天线的空间

射频复杂性的提高也使得天线数量有所增加,接近手机可达到的实际极限。为了支持4×下行链路MIMO、双上行链路MIMO、范围更广泛的频段和要求(例如2× Wi-Fi MIMO),如今LTE手机的天线数量预计会从3个增加到5个,5G智能手机则会从4个增加到8个,或者更多。与此同时,随着手机行业转而采用全屏设计,放置手机天线的边框区域会缩小,因此天线可用的空间实际上也会缩小。需要在更小的空间内安装更多的天线就意味着天线的尺寸必须缩小,因此天线的效率会降低。

这些趋势将推动RFFE采用两类天线解决方案。一类是天线调谐,可以将每根天线都调谐到工作频段,使它更加高效。在某种程度上,LTE手机已经采用了天线调谐,主要用于提高性能。对于5G手机,鉴于其天线数量有限,且必须支持更广的频率范围,因此必须使用天线调谐来维持性能。另一种天线技术是天线转换开关,它在一些LTE手机中是一种高性能选项,而在5G手机中将成为必不可少的技术。天线转换开关利用单个模块覆盖多个频率,使得多条射频通道可以同时连接至天线,同时防止通道之间的干扰。天线转换开关目前被有些LTE手机用于路由CA信号,但它将会成为5G手机不可缺少的组件,用于支持15版和之后版本的规范所定义的海量双连接CA选项。

应对挑战

在大肆宣传5G的背后,现实中部署的速度远远快于最初的预期,让智能手机制造商添加5G功能的压力越来越大。新标准带来了前所未有的射频挑战,包括更高程度的复杂性、海量带宽、线性度和功率管理。

在3GPP制定5G标准的同时,Qorvo和其他RFFE供应商通过与无线基础设施制造商、网络运营商、芯片提供商和智能手机制造商合作,为这些工作提供支持。如同在之前的技术过渡过程中,解决复杂的5G挑战将需要创新型射频解决方案,让制造商能够为消费者推出新的产品。


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