5G天线硬件剖析

作者：Majeed Ahmad，特约作家

由于频段数量不断增加，5G 设计中的射频前端 (RFFE) 变得越来越复杂。随后，在实施载波聚合 (CA) 和多输入多输出 (MIMO) 技术和毫米波 (mmWave) 频段时，需要更多天线来提供更高的数据速率。

因此，我们正在目睹 5G 天线和射频前端模块中更高水平的组件集成也就不足为奇了。这些模块正在加强集成，以推动多频段 5G 通信中的更多射频内容。

用于 5G 设备设计的毫米波射频前端结构视图。（图片：Yole Développement）

本文将展示 5G 无线革命如何改变天线硬件及其与射频前端设计的接口。它将解释天线调谐等关键技术驱动因素，并提供业内人士对即将实现商业化的智能天线系统的看法。让我们从 5G 基站中使用的有源天线系统 (AAS) 开始。

有源天线系统对于蜂窝和毫米波频段而言，5G 天线的技术复杂性非常高。这主要是因为 5G 设计采用阵列中的多个天线模块，信号集中在多个方向上。然而，与此同时，设计人员必须提高信号效率，同时减小天线尺寸和功耗。

当 5G 网络使用 28 GHz 至 39 GHz 的超高频毫米波频段传输大量数据时，这一点尤其需要。在毫米波通信中，由于短波长和高方向性，很难将无线信号传输很远，这也是 5G 天线模块极其复杂的主要原因。

因此，像恩智浦半导体这样的芯片制造商正试图通过使用多芯片模块 (MCM) 实现更小、更轻的有源天线系统来简化大规模 MIMO (mMIMO) 部署，从而促进更高的集成度。恩智浦的智能天线解决方案利用公司的 SiGe 技术构建用于毫米波通信的相控阵天线系统。

这些有源天线系统具有高度集成的模拟波束形成功能，可确保 sub-6-GHz mMIMO 和早期毫米波网络的大量带宽。换言之，AAS 解决方案满足从 6 GHz 到 40 GHz 的频谱范围从毫瓦到千瓦的信号功率。

有源天线系统通过将多个天线元件整合到一个紧凑的天线结构中来补充 5G 频谱效率。他们还采用垂直分区来更好地管理辐射方向图控制并适应超高速 5G 网络中不断变化的情况。

以集成设备技术 (IDT) 的 AAS 解决方案为例。它包含接口放大器、低噪声放大器 (LNA)、开关和预驱动器，可满足超紧凑外形的 mMIMO 通信的发送和接收要求。IDT 的AAS 解决方案具有发射和接收链中多个天线元件所需的放大、增益控制和保护功能。

5G 天线调谐RF 设计人员的另一个关键设计考虑因素是天线调谐，可优化宽频率范围内的无线电性能。在 5G 设计中，天线调谐比以往任何时候都更加重要，因为更多的天线必须安装在更小的空间中，以最大限度地提高无线容量。例如，天线调谐可以恢复一些损失的无线电性能。

有两种类型的天线调谐器。孔径调谐器优化了天线终端的自由空间，从而改善了发射和接收通信以及总隔离灵敏度 (TIS)。另一方面，阻抗调谐器可最大限度地减少天线和射频前端之间的失配损耗，从而有助于补偿环境影响。

除了天线数量的增加外，天线调谐器在 5G 系统中日益增加的信号处理复杂性中至关重要。具体来说，当手机在新无线电 (NR) 标准中实现 4 × 4 MIMO 信号时，天线调谐可以在保持智能手机电源效率和电池寿命方面发挥至关重要的作用。

与目前的 4G 手机中的两到四根天线相比，新款无边框智能手机集成了四到七根天线以支持 5G 数据速率。为了应对天线数量的增加，Skyworks 发布了宽带 16 态天线孔径调谐器，覆盖 600 MHz 至 6 GHz 的带宽，适用于 LTE Advanced Pro 以及新兴的 5G 标准。

高通还推出了QAT3555 Signal Boost 自适应天线调谐器，以应对不断增长的天线数量，并确保支持多个频段。与上一代天线调谐器相比，它支持 6 GHz 频段，同时封装高度和信号损耗降低了 25%。

商用 5G 天线如上述产品示例所示，针对 5G 设计难题的商用天线解决方案已开始进入市场。以 5G 天线设计中与室内覆盖相关的更专业领域为例。

在这里，无线模块和天线供应商 Laird Connectivity 推出了一款室内 MIMO 天花板安装天线 ，工作频率范围为 698-MHz 至 960-MHz 和 1,300-MHz 至 4,200-MHz 频段。这CMD69423P 是一款双端口 MIMO 天线，专为公司办公室、零售商场、医疗设施、巴士总站和火车站等室内环境而设计。

Laird 声称，CMD69423P 中的天线元件采用线性、垂直和水平组件设计，因此经过优化，可以在安装在天花板上时以特定形状的模式进行辐射。此外，这种全向天花板安装天线的强大辐射性能转化为端口之间的低相关性。

诺基亚还声称已开发出基于 RF IC 的 mMIMO 天线，与传统的 mMIMO 天线相比，这种天线更易于部署、更便宜、更小。例如，诺基亚用于 mMIMO 应用的AirScale有源天线使用 64 个发射和 64 个接收天线元件，同时提供 320 W 的输出功率。 

对于用于促进大量无线带宽的 mMIMO 天线，必须控制尺寸、重量和功耗。此外，由于紧凑型天线硬件的散热，优化多个天线元件可能非常复杂。

因此，诺基亚与移动运营商 Vodafone 携手，围绕其 mMIMO 有源天线解决方案进行了广泛的模拟，并展示了它们与使用无源天线和远程无线电头端的无线电解决方案相比的优势。

商业解决方案的可用性表明，天线硬件已准备好与其他射频前端解决方案一起为 5G 革命服务。此外，与其他射频前端构建块一样，天线设计已达到更高的集成度，这在极其复杂的 5G 设计中至关重要。

在商用 5G 开始逐步部署的时候，请注意天线功能在其对这一巨大工程挑战的支持方面所处的位置。例如，除了无线电性能之外，还要仔细检查 5G 天线是否满足严格的线性要求并解决尺寸和功率限制。

审核编辑 黄昊宇