1、引言

 

隨著(zhù)移動(dòng)通信的迅猛發(fā)展，低頻段頻譜資源的開(kāi)發(fā)已經(jīng)非常成熟，剩余的低頻段頻譜資源已經(jīng)不能滿(mǎn)足5G時(shí)代10Gbps的峰值速率需求，因此未來(lái)5G系統需要在毫米波頻段上尋找可用的頻譜資源。作為5G關(guān)鍵技術(shù)之一的毫米波技術(shù)已成為目前標準組織及產(chǎn)業(yè)鏈各方研究和討論的重點(diǎn)，毫米波將會(huì )給未來(lái)5G終端的實(shí)現帶來(lái)諸多的技術(shù)挑戰，同時(shí)毫米波終端的測試方案也將不同于目前的終端。本文將對毫米波頻譜劃分近況，毫米波終端技術(shù)實(shí)現挑戰及測試方案進(jìn)行介紹及分析。

 

2、毫米波頻譜劃分

 

2015年，ITU-R WP5D發(fā)布了IMT.ABOVE 6GHz的研究報告，詳細研究了不同頻段無(wú)線(xiàn)電波的衰減特性。在同年的世界無(wú)線(xiàn)電通信大會(huì )（WRC-15）上提出了多個(gè)5G候選的毫米波頻段，最終5G毫米波頻譜的確定將在WRC-19上的完成。經(jīng)過(guò)多年的研究和討論，各國各地區對毫米波頻譜資源的劃分都有所進(jìn)展，以下將著(zhù)重介紹中國、美國及歐洲在毫米波頻段劃分上的近況。

 

中國：2017年6月，工信部面向社會(huì )廣泛征集24.75-27.5 GHz、37-42.5 GHz或其他毫米波頻段用于5G系統的意見(jiàn)，并將毫米波頻段納入5G試驗的范圍，意在推動(dòng)5G毫米波的研究及毫米波產(chǎn)品的研發(fā)試驗。

 

美國：早在2014年，FCC（美國聯(lián)邦通訊委員會(huì )）就開(kāi)啟了5G毫米波頻段的分配工作，2016年7月，確定將27.5-28.35 GHz、37-38.6 GHz、38.6-40 GHz作為授權頻譜分配給5G，另外還為5G分配了64-71 GHz作為未授權頻譜。

 

歐洲：2016年11月，RSPG（歐盟委員會(huì )無(wú)線(xiàn)頻譜政策組）發(fā)布了歐盟5G頻譜戰略，確定將24.25-27.5 GHz作為歐洲5G 的先行頻段，31.8-33.4 GHz 、40.5-43.5 GHz作為5G潛在頻段。

 

3、毫米波終端技術(shù)實(shí)現

 

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

 

3.1 終端側大規模天線(xiàn)陣列

 

由于天線(xiàn)尺寸的限制，在低頻段大規模天線(xiàn)陣列只能在基站側使用。但隨著(zhù)頻率的上升，在毫米波段，單個(gè)天線(xiàn)的尺寸可縮短至毫米級別，在終端側布置更多的天線(xiàn)成為可能。如下圖1所示，目前大多數LTE終端只部署了兩根天線(xiàn)，但未來(lái)5G毫米波終端的天線(xiàn)數可達到16根甚至更多，所有的天線(xiàn)將集成為一個(gè)毫米波天線(xiàn)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重的影響。終端側使用大規模天線(xiàn)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毫米波覆蓋不足的缺點(diǎn)，終端側大規模天線(xiàn)陣列將會(huì )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(xiàn)設想

 

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

 

3.2 毫米波射頻前端器件

 

射頻前端器件包括了功率放大器、開(kāi)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)量及待機時(shí)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(mǎn)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上均要強于砷化鎵。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(lái)毫米波終端的射頻前端器件將可能需支持1GHz以上的連續帶寬。

 

雖然氮化鎵被認為是未來(lái)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(chǎng)景。毫米波射頻前端技術(shù)的發(fā)展將會(huì )成為毫米波終端實(shí)現的關(guān)鍵，預計到2020年之后，毫米波移動(dòng)終端射頻器件的技術(shù)和成本才可能達到大規模商用的要求。

 

4、毫米波終端測試方案分析

 

目前LTE終端的實(shí)驗室測試主要使用傳導連接，使用射頻饋線(xiàn)將被測設備和測試儀表連接，這種測試方案對場(chǎng)地要求不高，受外界干擾較小。但隨著(zhù)毫米波終端側的大規模天線(xiàn)陣列的使用，終端的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器都將集成到天線(xiàn)形成天線(xiàn)模塊，未來(lái)毫米波終端可能不會(huì )存在射頻測試端口，而且高頻率下進(jìn)行耦合帶來(lái)的高插損等因素使傳統的傳導連接測試的方案更不可行，因此OTA（Over The Air）測試將成為毫米波終端測試的主流方案。

 

OTA測試可直接測試設備的整體輻射性能，能夠對設備的整機性能進(jìn)行測試，能夠更真實(shí)地反映設備的實(shí)際性能，但測試需要在微波暗室進(jìn)行，對于測試的場(chǎng)地要求較為嚴格，測試費用昂貴。

 

圖2：OTA測試的暗室

 

目前LTE OTA和MIMO OTA的研究已經(jīng)較為深入，但毫米波的OTA研究還處于起步階段，有關(guān)毫米波OTA測試的標準立項已經(jīng)在CCSA開(kāi)始討論。下圖3是LTE OTA測試系統的示意圖，未來(lái)毫米波終端OTA測試的方案預計會(huì )參考LTE OTA測試的系統，但由于毫米波工作頻率和主動(dòng)天線(xiàn)陣技術(shù)等應用，未來(lái)毫米波OTA測試在技術(shù)上將進(jìn)行一些改進(jìn)。

 

OTA測試作為毫米波終端測試的必選方案，將面臨以下挑戰：

 

1）毫米波新型吸波材料。由于傳統的軟質(zhì)海綿吸波材料在物理性能可電性能上存在缺陷，無(wú)法完全滿(mǎn)足5G毫米波測量的要求。因此研究并開(kāi)發(fā)更適合于毫米波暗室的吸波材料將會(huì )是毫米波OTA測試的關(guān)鍵。

 

2）OTA測試遠場(chǎng)測量條件。OTA測試根據測試場(chǎng)類(lèi)型可以分為近場(chǎng)和遠場(chǎng)測試。通常對于天線(xiàn)輻射性能的測試，測試接收天線(xiàn)一般置于遠場(chǎng)，此時(shí)電磁輻射屬于平面波，場(chǎng)的相對角分布與離開(kāi)天線(xiàn)的距離無(wú)關(guān)，大小與離開(kāi)天線(xiàn)的距離成反比，天線(xiàn)方向圖主瓣、副瓣和零值點(diǎn)已全部形成。而在近場(chǎng)接收天線(xiàn)可能會(huì )和發(fā)射天線(xiàn)會(huì )由于電容和電感的耦合作用互相干擾，造成錯誤的結果。遠場(chǎng)的判定條件是被測件與測量天線(xiàn)間的距離要大于2D2/λ，其中D為測量天線(xiàn)的直徑，λ為波長(cháng)，由于毫米波段波長(cháng)很短，因此天線(xiàn)遠場(chǎng)的距離較大，以30GHz頻段，測量天線(xiàn)直徑為0.2m為例，遠場(chǎng)的距離將達到80m，暗室難以達到如此大的尺寸，并且測試距離的增加還會(huì )增加被測終端到測量天線(xiàn)間的路徑損耗，會(huì )進(jìn)一步降低測試系統的靈敏性和準確性。為解決毫米波遠場(chǎng)條件的問(wèn)題，我們可以通過(guò)緊縮場(chǎng)法縮短測量距離，或者采用中區場(chǎng)測量的方式來(lái)代替遠場(chǎng)測量。

 

緊縮場(chǎng)法：其通常采用一個(gè)拋物面金屬反射板，將測量天線(xiàn)發(fā)送的球面波經(jīng)反射面反射形成平面波，在一定遠距離處形成一個(gè)良好的靜區。將天線(xiàn)安置在靜區內，測量天線(xiàn)的遠場(chǎng)特性，其類(lèi)似于遠場(chǎng)測量，只是縮短測量距離，便于在理想遠場(chǎng)環(huán)境（暗室）下進(jìn)行測量。緊縮場(chǎng)天線(xiàn)測量系統能在較小的微波暗室里模擬遠場(chǎng)的平面波電磁環(huán)境，利用常規的遠場(chǎng)測試設備和方法對天線(xiàn)的輻射性能進(jìn)行測試。

 

中區場(chǎng)法：中區場(chǎng)（菲涅爾區）的距離計算方式為0.63

 

 

，同樣以30GHz頻段，測量天線(xiàn)直徑為0.2m為例，中區場(chǎng)的距離只有1.26m，普通的暗室尺寸也能滿(mǎn)足需求，因此可以在系統層面上，研究新的中區場(chǎng)測量理論與場(chǎng)源重構方法，用中區場(chǎng)來(lái)代替遠場(chǎng)進(jìn)行OTA測試。

 

圖3：LTE和毫米波測試系統示意圖

 

5、國內毫米波終端商用計劃分析

 

國內有關(guān)5G相關(guān)的研究和測試正如火如荼地進(jìn)行，但是相比于歐美，我國在6GHz以下的低頻段尚有較多可用的頻譜資源，包括3.3-3.6 GHz，4.8-5 GHz以及部分重耕的頻譜，因此我國對于毫米波的需求并不是很迫切。從產(chǎn)業(yè)鏈各方的路標來(lái)看，國內5G的首發(fā)頻段應該為6GHz以下的低頻段。

 

目前毫米波相關(guān)的研究尚處于起步階段，5G毫米波頻譜劃分還需進(jìn)一步確定。預計到2020年，才會(huì )有正式的5G毫米波終端出現。在5G商用的初期，主要會(huì )以6GHz以下低頻基站為主，國內5G毫米波終端的大規模商用預計還需要較長(cháng)的一段時(shí)間才能實(shí)現。

 

6、結束語(yǔ)

 

本文介紹了全球毫米波的劃分情況，總結了毫米波終端在技術(shù)實(shí)現上將會(huì )遇到的挑戰及困難，毫米波終端將布置更多的天線(xiàn)形成天線(xiàn)模塊，同時(shí)在射頻前端制造工藝上，高頻特性更好的材料將被開(kāi)發(fā)和應用。最后對毫米波終端OTA測試的情況及毫米波終端商用情況進(jìn)行了分析。毫米波技術(shù)作為5G關(guān)鍵技術(shù)之一，必將在即將到來(lái)的5G時(shí)代得以重用，毫米波終端相關(guān)的研究和測試工作也將不斷提速，為毫米波的商用奠定基礎。

 

參考文獻

 

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