业界普遍认为，混合波束赋形(例如图所示)将是工作在微波和毫米波频率的5G系统的首选架构。这种架构综合运用数字 (MIMO) 和模拟波束赋形来克服高路径损耗并提高频谱效率。如图所示，m 个数据流的组合分割到n条RF 路径上以形成自由空间中的波束，故天线元件总数为乘积m × n。数字流可通过多种方式组合，既可利用高层MIMO将所有能量导向单个用户，也可以利用多用户MIMO支持多个用户。

以一个简单的大规模天线阵列示例，借以探讨毫米波无线电的最优技术选择。现在深入查看毫米波系统无线电部分的框图，我们看到一个经典超外差结构完成微波信号到数字信号的变换， 然后连接到多路射频信号处理路径，这里主要是运用微波移相器和衰减器来实现波束赋形。 传统上，毫米波系统是利用分立器件构建，导致其尺寸较大且 成本较高。这样的系统里面的器件使用CMOS、SiGe BiCMOS 和 GaAs 等技术，使每个器件都能得到较优的性能。例如，数据转换器现在采用 CMOS 工艺开发，使采样速率达到 GHz 范围。上下变频和波

束赋形功能可以在 SiGe BiCMOS 中有效实现。根据系统指标要求，可能需要基于GaAs 功率放大器和低噪声放大器，但如果 SiGe BiCMOS 能够满足要求，利用它将能实现较高的集成度。

对于 5G 毫米波系统，业界希望将微波器件安装在天线基板背面，这要求微波芯片的集成度必须大大提高。例如，中心频率为 28 GHz 的天线的半波阵子间距约为 5 mm。频率越高，此间距越小，芯片或封装尺寸因而成为重要考虑因素。理想情况下，单波束的整个框图都应当集成到单个 IC 中;实际情形中，至少应将上下变频器和 RF 前端集成到单个 RFIC 中。集成度和工艺选择在某种程度上是由应用决定的，在下面的示例分析中我们将体会到这一点。

示例分析：天线中心频率为28GHz， EIRP为60dBm

此分析考虑一个典型基站天线系统，EIRP 要求为 60 dBm。使用如下假设条件：

天线阵子增益 = 6 dBi(瞄准线)

波形 PAPR = 10 dB(采用 QAM 的 OFDM)

P1dB 时的功率放大器 PAE = 30%

发射/接收开关损耗 = 2 dB

发射/接收占空比 = 70%/30%

数据流 = 8

各电路模块的功耗基于现有技术。

该模型以8个数据流为基础来构建，连接到不同数量的 RF 链。模型中的天线数量以8的倍数扩大，最多512个元件。

下图显示了功率放大器线性度随着天线增益提高而变化的情况。 注意：由于开关损耗，放大器的输出功率要比提供给天线的功率高 2 dB。当给天线增加元件时，方向性增益随着 X 轴对数值提高而线性提高，因此，各放大器的功耗要求降低

为了便于说明，我们在曲线上叠加了技术图，指示哪种技术对不 同范围的天线元件数量最佳。注意：不同技术之间存在重叠，这 是因为每种技术都有一个适用的值范围。另外，根据工艺和电路设计实践，具体技术可以实现的性能也有

一个范围。元件非常少时，各链需要高功率PA(GaN 和 GaAs)，但当元件数量超过200时， P1dB降到20dBm 以下，处于硅工艺可以满足的范围。当元件数量 超过500时，PA性能处于当前CMOS 技术就能实现的范围。

现在考虑元件增加时天线Tx系统的功耗。同预期一样，功耗与天线增益成反比关系，但有一个限值。超过数百元件时，PA的功耗不再占主导地位，导致效益递减。

整个系统的功耗同预期一样，接收机的功耗随着 RF 链的增加而线性提高。若将不断下降的 Tx 功耗曲线叠加在不断上升的Rx功耗曲线上，我们会观察到一个最低功耗区域。

最低值出现在大约128个元件时，要利用128个元件实现60dBm的EIRP，最佳PA技术是GaAs。

虽然使用 GaAs PA 可以实现最低的天线功耗和 60dBm EIRP，但这可能无法满足系统设计的全部要求。前面提到，很多情况下要求将RFIC放在天线元件的λ/2间距以内。使用GaAs发射/接收模块可提供所需的性能，但不满足尺寸约束条件。为了利用GaAs发射/接收模块，需要采用其他封装和布线方案。

优先选择可能是增加天线元件数量以使用集成到RFIC中的SiGe BiCMOS 功率放大器。若将元件数量加倍，达到约 56时，SiGe放大器便能满足输出功率要求。功耗的增幅很小，而且可以把SiGe BiCMOS RFIC放到天线元件 (28 GHz) 的 λ/2 间距以内。

将这一做法扩展到CMOS，发现CMOS 也能实现整体60dBm EIRP，但从技术图看，元件数量还要加倍。因此，这种方案会导致尺寸和功耗增加，考虑到电流技术限制，CMOS 方法不是可行的选择。

分析表明：同时考虑功耗和集成尺寸的话，当前实现60dBm EIRP 天线的最佳方案是将SiGe BiCMOS 技术集成到RFIC 中。 然而，如果考虑将更低功耗的天线用于CPE，那么CMOS 当然是可行的方案。

这一分析是基于当前可用技术，但毫米波硅工艺和设计技术正在取得重大进步。我们预计未来的硅工艺会有更好的能效和更高的 输出功率能力，将能实现更小的尺寸并进一步优化天线尺寸。

随着 5G 的到来日益临近，设计人员将持续遇到挑战。为毫米波无线电应用确定最佳技术方案时，考虑信号链的所有方面和不同 IC 工艺的各种优势是有益的。

【5G时代的射频技术发展趋势】

无线专家们表示，到2020年5G蜂窝网络有望产生两种新的空中接口和基于最新大规模MIMO技术的新天线设计。与此同时，LTE将突破Gbit/s瓶颈。“我们应该为毫米波频段开发一种新的空中接口。当然，用于访问物联网的另外一种空中接口应该也会有一些机会。”Intel公司首席无线技术专家Kenneth Stewart在由WiFi专业公司Quantenna举办的大会演讲中指出。

Stewart建议，在种类广泛的物联网领域，一些设备可以从量身定制的空中接口中受益，比如那些“在发送之前不必同步的设备……我们希望看到针对特殊用例的创新。“Steward 认为，LTE和WiFi在5G发明之后仍会继续存在很长一段时间。他介绍了一种2020年的无线芯片概念(如图1)：使用全套3G、4G和5G接口，除了 802.11ax WiFi和蓝牙5.0外，还支持多达60个LTE频段。“我们认为推出这种器件原则上没有什么困难。”

图1：2020年代的无线芯片概念图。

他鼓励大家发明适合使用这种芯片组的杀手级手机：

我们尚欠缺的是5G网络下的设备或用户体验，就像iPhone对3G或4G网络的推动作用——它要求部署这些网络。我们还没有见到能够充分发挥未来5G网络优势的设备。我们认为寻找和提供这种设备是一个很好的机会。专家们普遍同意5G的先进性将主要取决于毫米波频率和大规模MIMO天线的使用。“5G的大多数利益和优势都依赖于大约28GHz至90GHz范围内的毫米波的使用。”Stewart指出。

Intel公司已经朝这个方向迈进，目前正在推一款名为Maple Peak的60GHz WiGig产品。该产品主要用于无线笔记本电脑扩展坞，使用了一个2×8 倒装芯片绑定的天线阵列。“挑战主要在于功效，在这个领域有许多基础性工作要做。”ITU为5G网络规定了一系列目标(见表1)，包括针对某些服务超过10Gbit/s的数据速率。“我们相信毫米波频段的WiFi和LTE能达到这个目标。”

表1：ITU的5G网络规定。

Stewart预测到这个十年末LTE将能达到Gbit/s的数据速率。“如果幸运的话，”手机也将能使用诸如大规模MIMO等技术在相同频段中收发数据。大规模MIMO之父、贝尔实验室的Thomas Marzetta介绍了对这种技术的研究进展。有次实验成功地使用675副天线给10个用户每人提供Gbit/s的速率。另外一次实验给同一蜂窝中的每个 用户提供了5Gbit/s的速率，即使位于蜂窝边缘的用户也能达到这个速率。

“还没听说过使用相对较小的频谱。”Marzetta表示，“10倍的改进很难达到，而大规模MIMO能够轻松实现超过10倍的改进，并且不需要复杂的信号解码。”大规模MIMO技术将淘汰今天的点到点MIMO系统，并且可能消除对小蜂窝基站的需求，Marzetta指出，“我相信LTE和WiFi如果不转变到大规模MIMO的话有可能提前退出历史舞台。”

Stewart认为搭建这种天线阵列、并能以较低成本达到一致性能仍面临许多艰巨的挑战。“在这个技术领域中，信息理论和实现团队之间仍缺乏基本有效的沟通。”他提醒道。即使是Marzetta也表示，大规模MIMO在他的母公司阿尔卡特-朗讯也仍然只是一个研究课题。小蜂窝基站仍是阿朗公司发展战略的基础。今天的802.11ac在下行链路信道上支持多用户MIMO，但Quantenna等公司需要推动对诸如体育馆等用例中上行链路的支持，被称为MIMO之父斯坦福大学教授Arogyasawami Paulraj表示。

新兴大规模MIMO技术是毫米波传输中波束成型技术的关键。毫米波可以穿过植物等可能使信号衰减达8至10dB的障碍物，Paulraj指出。他已经与美国监管部门就支持毫米波波束成形技术所需的规程修改进行了磋商。在5G网络中，数据可能在宽带毫米波信道上传输，控制信号则走较慢的3G路由，他补充道。“不管会遇到什么问题，毫米波频率肯定会得到应用，虽然有时可能获得大吞吐量后又失去大吞吐量。”Intel公司的Stewart和Paulraj一致认为，5G将包含许多种技术，包括大规模MIMO LTE、多种WiFi甚至蓝牙。

“1G、2G、3G和4G的推动力来自频谱效率和吞吐量的增长，但5G更加关注多种频谱和技术的整合，以便给用户一个统一的网络界面。”Stewart表示，“在网络上层，将所有这些集成到单个流程中还面临诸多艰巨的挑战。”

图2：随着新的5G网络的兴起，老的空中接口将继续使用，Intel公司的Stewart表示。