ADI：5G改变射频前端生态，组合工艺有望减少设计伤痛

市场研究机构IHS Markit在发布的《5G经济》研究报告中指出，到2035年，5G将在全球创造12.3万亿美元经济产出。这几乎相当于所有美国消费者在2016年的全部支出，并超过了2016年中国、日本、德国、英国和法国的消费支出总和。

5G带来的并非只是单纯的速度提升。作为一个统一的连接架构，5G在这个连接设计框架内需要支持多样化频谱、多样化服务与终端和多样化部署。ADI通信业务部门CTO Thomas Cameron博士日前在接受《电子工程专辑》采访时援引下图指出，增强型移动宽带(6GHz以上频段)、关键业务型服务(1GHz-6GHz频段)和海量物联网(1GHz以下频段)构成了5G业务的核心。

ADI通信业务部门CTO Thomas Cameron博士

5G服务的“铁三角”

“铁三角”具体而言包括：

• 增强型移动宽带

极致吞吐量和超低时延是增强型移动宽带的两大特征。传统来看，4G技术更多依赖于授权频谱，然而5G从顶层设计初期，就把授权频谱、非授权频谱和共享授权频谱进行了统一规划和设计，毫米波和超大规模MIMO将在其中扮演关键角色。

• 关键业务型服务

该类型应用对可靠性、超低时延和普及易用性要求极高，例如需要超过99.999%的可靠性和1ms的延迟性。目前的高级驾驶辅助系统(ADAS)更多属于被动模式的自动驾驶，完全是通过车载传感器对周围信息的获知做出判断，存在限制。但如果车与车之间具备V2V这种关键型业务服务的能力，那么真正意义上的自动驾驶就会实现。

• 海量物联网

包括智慧城市、智能家居、公共设施流量的监控和计量、可穿戴设备、远程传感器驱动等。例如用于水表、电表和公共环境信息监测等应用的传感器，往往要求在部署多年之后都不需要更换，联网终端的电池续航时间长达5-10年，节能性就必须要做得很好；其次，终端和芯片的成本要降到几美元甚至更低；其三是深度覆盖，也就是从远程角度支持可扩展的覆盖能力。

“在从4G向5G的网络迁移过程中，全球移动数据流量复合增长率达40%。运营商为了要追赶上消费者对数据和无处不在连接性的巨大需求，在网络容量、室内覆盖以及频谱等领域承受着相当大的压力。”Thomas Cameron说。

提升5G网络覆盖与容量的关键技术

从全球各国5G的部署情况来看，美国倾向于使用微波频段，中日韩等亚太国家则主打sub-6GHz频段，欧洲与中国思路类似。从ADI角度看，5G将会率先在sub-6GHz频段实现规模部署，小基站(Small Cell)和Massive MIMO将成为提升5G网络覆盖与容量的关键技术。

然而，以前的小基站只支持一个频段，现在需要支持三到四个频段，天线密度也会从之前的2T2R/4T4R跃升至64T64R/128T128R。尽管频谱效率可以提升5倍，但是采用这种大规模MIMO天线集成的做法，势必会在体积、成本和功耗等方面带来挑战。

作为射频与微波产品线最全面的供应商之一，ADI自2014年来先后成功收购了HITTITE微波、Symeo GmbH、Innovasic和凌力尔特等公司，在高速转换器、射频与毫米波解决方案、高集成收发器、精密时钟和电源等五大领域形成了完整布局。Thomas Cameron在采访中也重点强调了ADI两款最具代表性的产品：AD9371、业界首款集成DPD功能的AD9375，以及在2016年5月推出的RadioVerse技术和设计生态系统。

与传统OEM厂商仍采用离散器件(放大器、混频器、解调器、ADC/DAC、滤波器等)来搭建所谓的SDR平台不同，ADI RadioVerse的做法是通过提供集成式RF收发器、软件API、设计支持包、完备的文档、ADI EngineerZone在线技术支持社区及其他资源，为客户提供集成收发器技术、鲁棒的设计环境和针对特定市场的技术专长，使其无线电设计能够快速从概念变为产品。

5G毫米波改变射频前端设计

再看一下微波和毫米波频段的5G接入系统。微波频段下(预计将执行于28GHz、39GHz或60GHz频率)无线接入的最大障碍之一是克服不理想的传播特性，这些频段下的无线传播在很大程度上受到大气衰减、下雨、障碍物(建筑、人群、植物)以及反射的影响，若要克服接入系统的传播难题，就需要采用自适应波束成形(Beam-forming)技术。此外，宽带数据转换、高性能频谱转换、高能效比电源设计、先进封装技术、OTA测试、天线校准等，都构成了微波和毫米波频段5G接入系统面临的设计难题。

Thomas Cameron向记者强调了先进工艺在其中扮演的关键角色。众所周知，GaAs多年来一直是微波行业的主流技术，一流的微波系统也通常采用GaAs元件实现，但SiGe工艺和传统的CMOS工艺又能否占有一席之地呢？

“这取决于每个天线所需的输出功率，比如输出功率在100mW时，基本会选用GaAs/GaN PA；如果功率只有10mW，SiGe工艺就能够实现。”但他也提醒说，在微波频率下甚至GaAs PA都效率较低，因为它们在线性区域内通常会发生偏移，而SiGe工艺正在克服高频工作障碍，以便在多项信号路径功能上与GaAs一较高下。同时，波束成形技术会降低PA功率发射的限制和要求，这给了CMOS技术能够发挥作用的空间，再加上CMOS工艺具有波束成形系统所需的高集成度，这对很多信号链和辅助控制功能来说是个福音。

当然，这也意味着，设计者必须要具备把不同性能的组件整合在一起的能力。目前，ADI在上述三个领域都进行了广泛的技术投资，有能力提供从前端ADC/DAC到后端天线阵列的完整解决方案。

5G系统的最后一个考虑因素是机械设计和RF IC分割的相互依赖性。在50GHz以内，天线将是基板的一部分，并且预期路由和部分无源结构可能内嵌到基板上；超过50GHz时，天线元素和间距就会变得足够小，可将天线结构封装在内，或集成到封装上。因此，RF IC和机械结构都必须一并设计，确保路由的对称性，并最大程度减少损耗。也就是说，如果没有强大的3D建模工具来进行这些设计所需的大量仿真，那么这些工作一项都不可能完成。

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