為什么波束成型技術(shù)是5G和6G無(wú)線設(shè)計(jì)的核心

5G發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，5G毫米波(mmWave)頻段提供了豐富的頻譜，以支持極高的容量、高吞吐量、低時(shí)延及數(shù)量不斷上升的5G毫米波設(shè)備，包括手機(jī)、筆記本電腦等等。

然而，在網(wǎng)絡(luò)速度、帶寬和同步方面，最新5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)測(cè)試和表征的需求要比上一代網(wǎng)絡(luò)呈指數(shù)級(jí)提高。這要求測(cè)試新技術(shù)和新器件，包括多輸入多輸出(MIMO)天線陣列，高GHz毫米波頻率信號(hào)測(cè)試和生成。

例如，下面兩個(gè)常見(jiàn)的痛點(diǎn)：

·  測(cè)試混合信號(hào)：待測(cè)(DUT)包含RF信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)等需要測(cè)試得信號(hào)，必須設(shè)置多個(gè)測(cè)試環(huán)境，購(gòu)買(mǎi)全部不同的設(shè)備需要一大筆錢(qián)，支出相當(dāng)可觀。

·  MIMO/帶寬：不能使用過(guò)去測(cè)試4G信號(hào)使用的頻譜分析儀，5G信號(hào)帶寬更寬，并且需要同時(shí)測(cè)試不止一條以上的通道。

圖2. 5G SignalVu軟件測(cè)量：ACPR、SEM、EVM和功率

波束成型是怎么引入的呢？

我們經(jīng)常聽(tīng)到波束成型器賦能5G毫米波，這并不是炒作。波束管理在毫米波通信中是一種決定性特性，將在5G無(wú)線設(shè)計(jì)的未來(lái)發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用。從本質(zhì)上看，想讓5G毫米波對(duì)用戶(hù)發(fā)揮效用，波束成型是必備的功能。

圖3. 5G毫米波波束成型器，用于4x4 MIMO雙極化基站(Renesas Electronics)。

【圖示內(nèi)容中英文對(duì)照】

Integrated 5G DP-MIMO Small Cell: 集成式5G DP-MIMO小單元

64V/64H channels: 64V/64H通道

V-ch Beamformer: V-ch波束成型器

H-ch Beamformer: H-ch波束成型器

Dual-pol Antenna: 雙極化天線

波束成型采用多架天線在略微不同的時(shí)間廣播相同的信號(hào)，讓我們可以通過(guò)更具方向性的連接將無(wú)線信號(hào)聚焦到指定的接收設(shè)備，從而使得通信的速度更快，質(zhì)量更高，可靠性更強(qiáng)。波束成型器是系統(tǒng)的核心，因?yàn)樗?qū)動(dòng)每個(gè)天線陣列，通常加在一起會(huì)有512架天線和1,024個(gè)天線單元。由于每個(gè)無(wú)線單元中有這么多貼片天線或天線元，所以?xún)?yōu)化整體性能、功耗和每個(gè)無(wú)線單元的成本非常重要。

圖4. 波束成型器MIMO OTA測(cè)試設(shè)置(左)，包括RF功率測(cè)量(右上)和相位匹配(右下)。

由于這么大的單元數(shù)目，所以波束成型器設(shè)計(jì)的每個(gè)方面都至關(guān)重要。功耗會(huì)乘512，任何不理想或單元間不匹配也會(huì)放大。您需要單元間良好的RMS相位誤差，操控波束時(shí)在相位和增益間需要良好正交，否則邊帶電平會(huì)提高，進(jìn)而危及整體系統(tǒng)性能。所有這一切，都使得波束成型器成為5G毫米波無(wú)線設(shè)計(jì)的至關(guān)重要的組成部分。

然而，在測(cè)試波束成型的所有方面時(shí)，要求的工時(shí)數(shù)量和設(shè)備時(shí)間數(shù)量都面臨著挑戰(zhàn)。有許多設(shè)備，有許多參數(shù)和單元組合，您必須小心各種單元之間的耦合。從干擾到阻塞和等效全向輻射功率(EIRP)，必須從整個(gè)天線區(qū)域的方面進(jìn)行測(cè)量，因此傳導(dǎo)測(cè)量變得異常重要，空中(OTA)測(cè)量也就變得至關(guān)重要。

然后呢？我們需要更多更寬的帶寬。我們已經(jīng)推進(jìn)5G至極高的頻率和很高的瞬時(shí)帶寬的邊界，下一步6G是優(yōu)化現(xiàn)有資源，讓科技更環(huán)保，更好地利用有限的頻譜。