有源天线系统重塑RF前端

对于天线设计来说，一个明显趋势就是从无源天线系统(PAS)向高级或有源天线系统(AAS)过渡。这种转变不仅发生在5G/6G和Wi-Fi等地面通信领域，在卫星、航空航天和传感应用领域也是如此。

对于某些用例，特别是军事/国防、航空航天和星载通信和传感，所需的发射功率水平已经超过了绝大多数半导体技术的能力。同时，对于许多较新涌现的用例，一些新型天线以前曾被认为要么是功率太低，要么是不太实用，如今随着AAS的进展和一些半导体技术集成度的提高，为这些新型天线的设计应用打开了大门。

主要的AAS发展趋势可能是由5G/6G技术发展驱动的，这些技术中部署了具有数十个甚至超过100个天线单元的极为复杂的AAS。与较不复杂和更传统的通信和传感用例(例如具有稀疏和广泛分离基站的异构蜂窝通信)相比，复杂程度和部件数量达到如此水平后，则更加强调紧凑性、效率和可集成性。

图1：AAS信号链包括PA、LNA和其他RF组件。来源：Techplayon

现代AAS设计通常具有多输入多输出(MIMO)和/或波束控制能力，这要求RF前端(RFFE)硬件至少是天线单元的子集，在某些情况下，每个天线单元可能有不同的RFFE信号链。这意味着，对于现代AAS解决方案来说，每个天线即便是没有几十个RFFE信号链的话，至少也有几个。这些信号链中的每一个可以由功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)、移相器、可变衰减器、开关、环形器/隔离器、滤波器、合成器/功分器以及可能的混频器和振荡器组成。

对于更特殊的AAS，意味着RFFE硬件部件数量可能多达数百个，这取决于MIMO信道的数量、天线单元和AAS的具体设计。如果用分立元件实现的话，这些信号链的设计本身将占用很大空间，成本也很高，并且由于连接器和传输线的RF损耗，导致效率也很低，这使得故障排除极其困难。比较合理的升级改进是用板级硬件来实现现代的AAS。板级AAS解决方案目前已很常见，但这些解决方案通常无法满足效率、结构形状或成本方面的要求。

AAS下一个设计追求是在大规模半导体制造基础上构建更高集成度的解决方案。尽管这些高度集成的解决方案仍然内置于AAS中，并使用标准电路板技术，但采用集成度更高的组件，可以显著减少RFFE硬件的占位面积。此外，更高集成度的解决方案还可以节省总体成本，并成为毫米波(mmWave)通信和传感解决方案的一个优异特性。

图2：用于5G网络的毫米波RFFE解决方案，通过采用简化片上校准和数字校正的模块化方法，简化了AAS设计配置。来源：pSemi

技术选项

半导体领域的这些趋势和转变的一个很好例子是5G新无线电(NR)毫米波系统和基站的实现。5G NR的最新3GPP版本，除了低于6GHz的FR1频带之外，还分配了从24.25～52.60GHz(FR2-1)和52.60～71.00GHz的毫米波频带。为了实现毫米波mMIMO基站的必需性能，需要更多的RF链路，所需的TX和RX链路可能多达256条。

为了保持合理的尺寸、重量和功率效率，人们普遍认为，实现毫米波mMIMO基站的唯一方法，是采用更高集成度(相对于6GHz以下频段MIMO技术而言)。这些技术要求以紧凑和高效的方式与大功率PA进行高度集成。另外还要求RF线路之间具有高隔离度，以及具有低插入损耗(IL)和高隔离度的T_X/R_X之间的良好切换性能。

绝缘体上硅(SOI)和砷化镓(GaAs)技术适用于毫米波mMIMO基站中的许多组件，而其他技术功率太低、成本也太高，或者根本不属于传统蜂窝基站的典型供应链。GaAs和GaN是高输出功率PA的最佳选择，而硅锗(SiGe)和SOI是所需输出功率为20dBm左右的毫米波mMIMO应用的较好选择。

由于CMOS的频率和输出功率性能相对较差，对于此类应用来说是不太好的选项。然而，对数字基带而言，CMOS的可集成性最好。列表中，SOI技术的可集成性名列第二，其次是SiGe。与其他半导体技术相比，SOI在隔离性能方面表现出色。众所周知，与GaN和GaAs相比，SOI开关具有优异的IL性能和功率承受能力。因此，SOI可能是实现高集成度毫米波mMIMO模块的最佳选项之一。

由于GaAs和GaN均由III-V代半导体技术制成，缺乏与CMOS技术或其他硅基技术集成的既定路径，因此被认为是最不可集成的。然而，为了增强GaN和GaAs技术的可集成性，已涌现大量的实质性研究和开发成果，故在同一芯片中完全可以实现高频RF和高速数字处理技术的高度集成。

新一代AAS技术

更复杂的AAS以及更高频率通信和传感技术的发展趋势，可能会导致RFFE中用于这些应用的半导体解决方案的改变。这一改变将使一些应用转向采用更多单元的AAS设计，设计中使用更易集成的低功率半导体(如SOI)技术。此外，还将进一步开发更易集成的GaAs和GaN技术。

(参考原文：Active antenna systems reshaping RF front-ends）

本文为《电子工程专辑》2023年4月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅