用于毫米波5G基础设施的波束成型器前端和上下变频芯片

作者: 泰克科技

5G发展势头强劲，5G毫米波(mmWave)频段提供了丰富的频谱，以支持极高的容量、高吞吐量、低时延及数量不断上升的5G毫米波设备，包括手机、笔记本电脑等等。

然而，在网络速度、带宽和同步方面，最新5G网络对测试和表征的需求要比上一代网络呈指数级提高。这要求测试新技术和新器件，包括多输入多输出(MIMO)天线阵列，高GHz毫米波频率信号测试和生成。

我们经常会遇到如下两个痛点：

• 测试混合信号：待测(DUT)包含RF信号、数字信号和模拟信号等需要测试的信号，必须设置多个测试环境，购买全部不同的设备需要一大笔钱，支出相当可观。

• MIMO/带宽：不能使用过去测试4G信号使用的频谱分析仪，5G信号带宽更宽，并且需要同时测试不止一条以上的通道。

图1. 5G SignalVu软件测量：ACPR、SEM、EVM和功率

波束成型是怎么引入的呢？我们经常听到波束成型器赋能5G毫米波，这并不是炒作。波束管理在毫米波通信中是一种决定性特性，将在5G无线设计的未来发展中发挥关键作用。从本质上看，想让5G毫米波对用户发挥效用，波束成型是必备的功能。 

图2. 5G毫米波波束成型器，用于4x4 MIMO双极化基站(Renesas Electronics)。

波束成型采用多架天线在略微不同的时间广播相同的信号，让我们可以通过更具方向性的连接将无线信号聚焦到指定的接收设备，从而使得通信的速度更快，质量更高，可靠性更强。波束成型器是系统的核心，因为它驱动每个天线阵列，通常加在一起会有512架天线和1,024个天线单元。由于每个无线单元中有这么多贴片天线或天线元，所以优化整体性能、功耗和每个无线单元的成本非常重要。

图3. 波束成型器MIMO OTA测试设置(左)，包括RF功率测量(右上)和相位匹配(右下)。

由于这么大的单元数目，所以波束成型器设计的每个方面都至关重要。功耗会乘512，任何不理想或单元间不匹配也会放大。您需要单元间良好的RMS相位误差，操控波束时在相位和增益间需要良好正交，否则边带电平会提高，进而危及整体系统性能。所有这一切，都使得波束成型器成为5G毫米波无线设计至关重要的组成部分。

然而，在测试波束成型的所有方面时，要求的工时数量和设备时间数量都面临着挑战。有许多设备，有许多参数和单元组合，您必需小心各种单元之间的耦合。从干扰到阻塞和等效全向辐射功率(EIRP)，必须从整个天线区域的方面进行测量，因此传导测量变得异常重要，空中(OTA)测量也就变得至关重要。

然后呢？我们需要更多更宽的带宽。我们已经推进5G至极高的频率和很高的瞬时带宽的边界，下一步6G是优化现有资源，让科技更环保，更好地利用有限的频谱。