如何管理5G天线设计的功耗

据业界预测，与目前的无线网络容量相比，新兴的5G无线标准承诺可以向更多的用户，以更高的数据速率，提供更高的数据—到2025年带宽将增加1000倍。实现这个目标的一种方法是使用大规模MIMO，即使用由各独立信号驱动的单元阵列组成的天线。这种天线阵列可以形成多个信号波束。大规模MIMO可以应用在存在大量散射的环境中，也就是说即使信号被建筑物和其它物体散射的条件下，也同样可以通过多条路径到达每个用户。在目标用户位置，来自所有这些路径的信号有益地叠加在一起，从而实现高数据速率。在远离目标用户的地方，信号是不相关的，仅是增加了背景噪声。

运营商想通过这种方式来持续改进他们的服务，不过这也需要付出一定的代价，特别是在基站和终端设备的复杂性和相关功耗不断提高的情况下。

那问题的关键是什么呢？在模拟域可以做多信道相移，即接收发送过来的数据流，以天线阵列中的单元数量对它进行划分，然后对每份数据流进行相移处理(见图1)。这种方法是可行的，但缺乏灵活性，它只能处理一个数据流，因此也只能产生一个信号波束。如果系统需要处理多个数据流，用一个阵列产生多个波束，我们就需要采用数字波束成形，如图2所示，其中天线阵列中的每个单元都有自己的收发器和数据转换器组。

图1：适合5G天线阵列的模拟域相移。(来源：AMPLEON)

图2：数字波束成形阵列的基本架构。(来源：AMPLEON)

更高的复杂性将导致更大的功耗，因此，需要加以有效控制，以减少环境影响和运营成本，以及冷却挑战。

评估天线阵列的冷却需求

就拿工作在30GHz的4×4天线阵列面板来说，它们的天线单元之间的距离是半个波长，即5mm。要想使用数字波束成形，那么每个单元都需要2个DAC(用于I和Q)、2个ADC、1个锁相环、1个低噪声放大器、1个功放、1个发送/接收开关以及一些放大器和包括滤波器在内的其它电路。基于成本和尺寸的原因，针对每个单元的电路理想情况下应该在一个芯片上。天线组装时应该将16个芯片均匀地排放在面板上，以便它们与对应驱动的天线单元都有最短的连接，它们产生的热量也能够均匀的散发，如图3所示。

图3：4×4天线阵列面板，上面有均匀分布的天线单元和一个中央处理单元。(来源：AMPLEON)

如果每个功放的峰值输出功率约为20dBm，并采用目前最先进的技术制造，那么这样一个面板的总体功耗将是3W至4W。这已经假设使用的数据转换器具有有限的位深，因为研究表明，当使用多个天线单元而不是单根天线时，我们可能需要较低的分辨率就可以向接收机提供相同的信号完整性。然而，数据转换器仍然需要工作在较高的速度，以便处理较大的信号带宽。在发送时功放占约75%的总功耗，因为毫米波频率的效率非常低。

Doherty电路架构和包络跟踪等技术可以用来提高功放的效率，但它们需要精心设计数字预失真电路，才能达到可接受的杂散信号电平，但这种电路本身也会耗电。从这点来看，这些技术的好处会被实现它们的能源成本所抵消，因此基本上没有益处。这种4×4阵列例子非常接近于转折点，因此应用这种节能功放架构没有什么意义。即使是简单的纯线性AB类放大器也要求某种类型的能效线性化。幸运的是，大规模MIMO系统可能使用TDD，而且功放只是部分时间工作。

在我们的设计例子中，400mm2的面板上产生的热量在3W至4W之间。出于成本、能耗(要用风扇)和可靠性的原因，我们想进行被动的冷却。我们可以用带散热片的铝板做到这一点，这种材料具有约60 W/m2K的冷却能力。假设60℃的环境温度 (想像夏天安装在中东地区屋顶上的基站吧)，以及天线面板与收发器芯片之间连接点100℃的温度，速算结果表明，我们可以冷却0.25 W/cm2，或者阵列需求的约四分之一。为了散发整个3.5W的热量，我们需要约1400mm2的冷却面板。

解决这个问题的一个途径是搭建一个合适尺寸的面板来冷却电路，然后让电路驱动一个单独的、更小的天线阵列面板。对4×4单元阵列来说这是起作用的，但对于有数十甚至数百个天线的阵列来说这种做法就不实用了。

搭建一个稀疏天线阵列

一种解决方案是使用稀疏阵列架构，这种架构中的天线间距要比发射波长大得多，但天线阵列仍不应该产生不需要的旁瓣或紧邻发射波束的波瓣，以避免干扰。

单元间距等于或大于发射波长λ的天线阵列很容易产生不想要的波瓣—如果天线单元以不均匀的栅格布放。如果单元间隔是不均匀的，就像图4所示的150个单元组成的“向日葵阵列”那样，那么平均单元间距可以更大，本例是5λ，不会有波瓣的困绕[1]。

图4：非均匀天线阵列，以向日葵方式建模。(来源：AMPLEON)

为了设计向日葵阵列，天线单元沿费尔马螺旋曲线布放(见图5)，因此每一圈都会包含相同数量的面积。各个单元位于螺旋线上的角度χ的倍数点，χ等于4π/(3+√5)，即所谓的黄金角。

图5：费尔马螺旋线。(来源：AMPLEON)

向日葵阵列具有几乎均匀的功率密度，如果所有单元都被激励到相同电平，它可以简化冷却机制，并高效地使用总孔径。这种安排不会产生不想要的波瓣，它的波束角度也可以像密集阵列那样得到控制。这使得向日葵阵列成为稀疏阵列一个很好的候选品种，这是被动冷却5G毫米波天线面板所需要的阵列。
稀疏阵列的3dB波束宽度反比于孔径尺寸A，这意味着使用它们进行冷却更容易，也意味着接受更窄波束的设计折衷。使用针对范围为150米的接入点的合理假设，简单计算就可以表明，最大可实现的波束宽度可能是5到8度------很有效的一种笔形波束。

本文小结

在5G系统得到现场部署之前还面临许多研究挑战。对物理硬件来说最重要的挑战是降低功耗，并为阵列面板开发低成本的装配技术。

参考文献
[1]Maria Carolina Vigano, 适合多波束卫星应用的向日葵阵列天线, PhD Thesis TU Delft,2011, ISBN 987-94-6113-030-3