毫米波在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用越來越多，往期文章中，小編對毫米波也有所介紹。本文對于毫米波的講解將基于兩點(diǎn)：1.毫米波通信技術(shù)挑戰(zhàn)有哪些，2.毫米波終端技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)。

    一、毫米波通信主要技術(shù)挑戰(zhàn)

    1.應(yīng)用場景

    毫米波通信應(yīng)用包括毫米波波導(dǎo)通信、地面通信和衛(wèi)星通信、軍事通信，且以無線地面通信和衛(wèi)星通信為主。

    與5G通信相關(guān)。根據(jù)3GPPTR38.913定義，與高頻段應(yīng)用相關(guān)的幾個場景分別為：室內(nèi)熱點(diǎn)、密集城區(qū)、宏覆蓋、高速鐵路接入與回傳以及衛(wèi)星擴(kuò)展到地面。

    2.關(guān)鍵技術(shù)

    毫米波通信主要技術(shù)挑戰(zhàn)包括：毫米波射頻器件、毫米波天線、超寬帶低復(fù)雜度信號處理、空間信道模型以及網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)和空口的優(yōu)化、空口與高頻段組合技術(shù)。

    重點(diǎn)講5G毫米波通信。

    3.系統(tǒng)架構(gòu)

    5G毫米波基站硬件由基帶模塊、中頻模塊和毫米波模塊單元等幾個部分構(gòu)成

    基帶模塊：實(shí)現(xiàn)5G基帶處理、數(shù)字域波束賦形、基站傳輸?shù)裙δ埽蒀U、DU和RU中的數(shù)字邏輯共同實(shí)現(xiàn)，在電路設(shè)計方面通常使用CPU+DSP+FPGA的架構(gòu)，或者采用專用SOC芯片進(jìn)行基帶處理，同時還需要IP交換芯片、傳輸接口等電路。

    中頻模塊和毫米波模塊：位于RU單元，包括數(shù)字前端(DFE)、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路、毫米波混頻器、模擬域波束賦形和天線陣，包含用于基帶處理和DFE功能的FPGA或SOC芯片，時鐘系統(tǒng)、數(shù)模轉(zhuǎn)換ADC、DAC、毫米波電路以及天線陣等。

    4.通信頻段必然向毫米波方向延伸

    ?隨著高容量、高速率、低時延業(yè)務(wù)發(fā)展，通信頻段必然向毫米波方向延伸;

    ?5G移動通信的基本架構(gòu)將采是低頻段+毫米波頻段相結(jié)合的通信方式;

    ?5G毫米波通信主要應(yīng)用場景解決熱點(diǎn)流量問題，毫米波基站體積更小，便于隱蔽安裝;適合光纖不易接入或成本過高的地區(qū)，采用CPE終端掛墻或靠窗安裝;毫米波與MEC、AI技術(shù)結(jié)合，適合于園區(qū)組網(wǎng)方案;構(gòu)建智慧工廠、智慧園區(qū)、智慧碼頭等控制類智慧應(yīng)用。

    二、毫米波終端技術(shù)

    毫米波頻段頻率高、帶寬大等特點(diǎn)將對未來5G終端的實(shí)現(xiàn)帶來諸多挑戰(zhàn)，毫米波對終端的影響主要在于天線及射頻前端器件。

    2.1 終端側(cè)大規(guī)模天線陣列

    由于天線尺寸的限制，在低頻段大規(guī)模天線陣列只能在基站側(cè)使用。但隨著頻率的上升，在毫米波段，單個天線的尺寸可縮短至毫米級別，在終端側(cè)布置更多的天線成為可能。如下圖1所示，目前大多數(shù)LTE終端只部署了兩根天線，但未來5G毫米波終端的天線數(shù)可達(dá)到16根甚至更多，所有的天線將集成為一個毫米波天線模塊。由于毫米波的自由空間路損更大，氣衰、雨衰等特性都不如低頻段，毫米波的覆蓋將受到嚴(yán)重的影響。終端側(cè)使用大規(guī)模天線陣列可獲得更多的分集增益，提高毫米波終端的接收和發(fā)射性能，能夠在一定程度彌補(bǔ)毫米波覆蓋不足的缺點(diǎn)，終端側(cè)大規(guī)模天線陣列將會是毫米波得以商用的關(guān)鍵因素之一。

    圖1：LTE終端與毫米波終端天線設(shè)想

    終端部署更多的天線意味著終端設(shè)計難度的上升，與基站側(cè)部署大規(guī)模天線陣列不同，終端側(cè)的大規(guī)模天線陣列受終端尺寸、終端功耗的制約，其實(shí)現(xiàn)難度將大大增加，目前只能在固定終端上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模天線陣列的布置。移動終端的大規(guī)模天線陣列設(shè)計面臨諸多挑戰(zhàn)，包括天線陣列校準(zhǔn)，天線單元間的相互耦合以及功耗控制等。

    2.2 毫米波射頻前端器件

    射頻前端器件包括了功率放大器、開關(guān)、濾波器、雙工器、低噪聲放大器等，其中功率放大器是最為核心的器件，其性能直接決定了終端的通信距離、信號質(zhì)量及待機(jī)時間。目前制造支持低頻段的射頻前端器件的材料多為砷化鎵、CMOS和硅鍺。但由于毫米波段與低頻段差異較大，低頻射頻前端器件的制造材料在物理特性上將很難滿足毫米波射頻前端器件的要求。

    以功率放大器為例，目前主流的功率放大器制造材料為砷化鎵，但在毫米波頻段，氮化鎵及InP的制造工藝在性能指標(biāo)上均要強(qiáng)于砷化鎵。下表所示為從低頻到毫米波段主要的射頻前端器件制造工藝上的發(fā)展方向。

    另外，毫米波頻段大帶寬的特點(diǎn)對射頻前端器件的提出了更高的要求，未來毫米波終端的射頻前端器件將可能需支持1GHz以上的連續(xù)帶寬。

   雖然氮化鎵被認(rèn)為是未來毫米波終端射頻的主流制造工藝，但由于成本、產(chǎn)能等因素，基于氮化鎵工藝的高性能射頻前端器件多用于軍工和基站等特殊場景。毫米波射頻前端技術(shù)的發(fā)展將會成為毫米波終端實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，預(yù)計到今年之后，毫米波移動終端射頻器件的技術(shù)和成本才可能達(dá)到大規(guī)模商用的要求。