5G通信的触角: 毫米波MIMO天线开关

5G是什么，有多快，距离我们还有多远

如果你生活在2017的中国，那么你很有可能正在使用4G的移动网络。简单来讲，5G就是4G的下一代通信技术;复杂点现在不好讲，因为相比4G通信的标准使用Long-Term Evolution Advanced (LTE-A),5G的标准还未落定，此时此刻各大公司和科研机构正在为制定5G通信标准而日夜奋斗着。可以肯定的是，5G通信将大大提升通信速度和稳定性。类似于4G技术对于3G的提升一样，只是提升的幅度将更大。5G通信在人类生活中的重要性也将跨越式增长。

图 3GPP公布的5G Logo

那么5G到底有多快? 由于标准尚未制定所以无法解答。只能从目前公布的一些实验文件与采访大致估计。三星实验速率为7.5Gbps，诺基亚宣称10Gbps，华为公司公布的速率为3.6Gbps。相比目前4G的最高速率300Mbps，速率至少增长12倍。当然这个速率是实验室数据，真正用户体验速率还会受到各种局限：如基站分布、环境衰减、终端基带硬件软件处理性能等。作为参考，目前最新的基带Modem为高通骁龙X20，采用可支持1.2Gbps的LTE Category 18，大约每秒可下载150M Bytes的数据。除了速率的提升之外，5G还将在另外一个领域对用户体验进行改善——降低延迟。高速率与低延迟还会带来很多意想不到的好处，譬如无人驾驶、智能定位、语音识别、AR、VR和智能制造等应用也将得益于高速率低延迟的实现。工信部表示将在2020年启动5G商用，2017年至2018年5G将在国内开始测试，2019年进行预商用。ITU在2017年二月发布了一个文档，对5G系统做了13项具体规范,其中包括：

· 20Gbps峰值下载速率

· 10Gbps峰值上传速率

· 30bps/Hz峰值下行频谱利用率

· 15bps/Hz峰值上行频谱利用率

· 100Mbps用户体验到的下载速率

· 50Mbps用户体验到的上传速率

图 IMT-2020的目标与当前4G标准IMT-advanced对比

峰值速度看起来有点难度，但用户体验到的速率则完全是可以实现的。

技术角度看5G：网络, 频谱, 调制与天线

5G应用的带宽与延迟需求

直观来讲5G对于目前的通信技术主要在两个技术参数进行提升：

1.速率(带宽)

2.延迟

以下是GSMA关于各种应用的带宽与延迟需求图示：

图 各种应用的带宽与延迟需求

据上图可见，灰色部分的应用：如无线云办公、AR和无人驾驶这些应用只有采用5G通信才能实现大规模的普及。

频谱与提升覆盖率的技术

5G究竟将使用哪个波段的载波?学术界、各大科研机构和设备厂商正在在进行广泛的探索。从6GHz到300GHz的范围都有相关的研究实验正在进行。载波频率越高，带宽极限越大，同时覆盖的范围(受传输限制)越小。

图 当前研究较为热门的几个频段

在6GHz或更高的频段，波束形成技术(beam-forming)将被采用来解决覆盖方面的挑战。所谓波束技术，即是将无线信号定向指向终端。此技术也将导致5G的成本相对之前的技术而增高，每时每刻都需要数百个波束追踪单个移动终端使得基站的成本大幅提升。

图 波束形成技术示意

MIMO(多入多出)也是被广泛研究以提升带宽的一种天线技术，这种技术采用大规模的天线阵列来提升带宽，但这种技术目前仍有天线间互相产生射频干扰的难题没有完美解决。目前的研究焦点是将波束形成技术结合起来，使用软件控制灵活调整天线的方向来解决。

图 结合了波束形成技术的MIMO应用示意

采用更高频谱的出发点是更有效地利用频段从而在实现更高带宽与更低延迟的同时降低使用成本。但是正因为要使用更高频段，所以目前使用的硬件都需要更新换代，在初步实践上却是往增加成本方向发展。所以目前5G相关的研究中，尽快确定能够有效利用波束形成与MIMO两种技术的具体频段是亟待解决的问题。另外，新的频段万一覆盖不到的地方，也将使用低频段的覆盖进行补充。类似于目前偏远地区无法4G覆盖而使用3G/2G进行补充的做法。

图 5G覆盖不到使用低频段进行补充覆盖[!--empirenews.page--]

小于1ms的网络延迟：如何实现与低延迟带来的网络结构改变

当前的云计算的概念就是：数据在中心，终端通过基础设施在任何地点任何时间来获得数据与服务。但是考虑到5G网络中的一些应用关于小于1ms的延迟，这种结构不能满足需求。即使从现在到5G大规模应用的期间，计算设备和网络设备都继续以摩尔定理飞速发展。但是有一个极限目前没法跳过：就是光纤中光的传播速度。所以目前的研究结论是，如果要使5G网络中的<1ms延时成为现实，那么数据与用户的距离要小于1千米。也就是你的最近的一个基站需要缓存所要的数据与服务，这一特性使得此类应用的成本将非常高。而对于社交类的应用，关于用户数据的基站间漫游管理，目前的技术也需要根本性改变。拿着手机刷微博，那么经过的每个基站可能都需要同步一份个人资料、所有微博、评论、点赞，而不是在需要的时候找中心要数据。极端情况下所有的运营商都将共用一个网络，所有内容都在这个网络中，不然不能满足小于1ms的网络延迟要求。

5G系统中的核心器件：RF天线开关与其应用举例

如上述所言，载波聚合、波束形成、MIMO是5G射频系统中重要的技术。而这些技术的应用都离不开一个关键器件——RF天线开关。普通的开关用小按钮;稍稍高频(几十MHz，几百MHz)的开关用三极管、FET管搭建;如果频率到了几G几十G的范围，那么一般情况使用PIN二极管来做的开关。关于PIN二极管的详细在下文讨论，与普通开关类似，RF天线开关的种类也可以使用端子数目来分类：

图 天线开关的一些常见类型

此处列几个天线开关的应用实例以说明RF天线开关的一些应用。

手机终端的天线开关应用

下图是我们目前使用的手机中的RF天线开关，可以看出应用场合大致三种：主开关，3G/4G切换开关，接收器信号复用开关。

图 手机中的RF天线开关

载波聚合中的天线开关应用

图 载波聚合示意

波束形成技术中的天线开关应用

下图为复合使用了MIMO的波束形成技术的系统组成。

图 波束形成技术的系统组成

详细看，其中的天线开关应用如下：

图 波束形成技术中天线开关应用示例

高频天线开关市场上的主要厂家

业界称此市场为Monolithic Microwave ICs (MMIC)。目前市场上的产品按照工艺主要分为以下几类：

· GaAs 包括AlGaAs

· GaN 包括GaN-Si, GaN-SiC

· Si/SiGe 包括CMOS,LDMOS等

· 其他

重要的供应商如下：

· MACOM

· ON Semiconductor

· OMMIC

· Qorvo(由TriQuint与RF Micro Device合并而来)

· Analog Devices

· Infineon (包括收购的IR)

· WIN Semiconductors

· Murata

· Mitsubishi

· Keysight

· Microsemiconductor

· Qualcomm(包括收购的NXP /Freescale)

· Kyocera

· Toshiba[!--empirenews.page--]

MACOM的毫米波天线开关新品MASW-011098

业界领先的无线射频厂商MACOM近日推出了用于5G系统的毫米波天线开关MASW-011098，这里对这个器件的应用与性能参数做一些简介。此器件使用AlGaAs工艺制造，在这里我们同时使用另外一个使用Si材料制作的类似产品(ADRF5020)做参数上的一些对比以展示两种材料的类似产品的参数的一些差别。下文以M器件与A器件分别指代以方便讨论。

M器件主要应用于26GHz-40GHz的频段，所以也称毫米波段射频开关或者Ka波段射频开关。根据MACOM的官方文档，此器件主要的目标应用领域为28GHz，37GHz 与39GHz 的5G射频系统。

A器件的功能类似，但是频率范围为100MHz-30GHz。这是由于材料工艺上的局限，Si材料的射频开关在工作频率上并不能覆盖目前所有5G所可能使用的频段。

首先看两者功能Block：

图 M器件功能Block

图 A器件功能Block

根据上图所示，M器件的基本功能就是一个射频开关。RFcommon为公共端，通过偏置控制脚来选择公共端的信号与RF1或者RF2连接。注意其中电阻电容均为等效电路，实际的器件为AlGaAs工艺的PIN二极管。

A器件与之类似，所不同的是由于使用CMOS工艺制作，可以通过CMOS/TTL信号直接控制。而M器件需要额外增加直流偏置的方式来控制。

两器件控制真值表：

图 MASW-011098真值表

图 A器件的控制真值表

两器件的基本参数如下：

下面着重看看两器件的几个重点参数曲线。

插入损耗(开启):

图M器件的插入损耗

图 A器件的插入损耗

插入损耗是指器件在射频回路中对信号的损耗作用，此参数的绝对值越小越好。从上图可以看出此器件在22GHz至40GHz之间插入损耗稳定在-1dB左右。假设回路插入此器件之前的信号功率为PT，插入此器件之后的信号功率为PR，那么插入损耗的计算公式如下：

图 插入损耗公式

注意：有些地方将PR与PT倒过来计算，MACOM的Datasheet经常两种方法混着使用。但是总而言之我们希望PT与PR比例越接近1越好，如此IL的绝对值也就越小。

假设按照典型损耗1.3 dB来计算：

PR = PT*0.74.

假设按照典型损耗2.0 dB来计算：

PR = PT*0.63

隔离度(关断):

图M器件的隔离度

图 A器件的隔离度

隔离度这个参数好理解，就是开关关闭之后引脚之间的相关性。比如RF1与RFcommon相连之后，RF2与RFcommon信号的耦合的一个衡量参数。这个参数绝对值越大越好，这个参数越大表明关断之后两个引脚的信号耦合度越小。从上图可以看出在M器件的设计工作频段中，隔离-40dB左右。对于如此高频信号来讲此参数非常优秀了。而A器件因为工作频率较低，隔离可以达到60 dB甚至更高。但工作频率不同不能相提并论，这里只是提供参考。

回波损耗：

图M器件的回波损耗

图A器件的回波损耗

回波损耗与插入损耗类似，回波损耗是指的插入该器件后其对反射回去信号的损耗度。因为反射回去的信号是不被希望的，所以反射越少越好，这样希望回波损耗越大越好。计算公式跟插入损耗计算类似。这个参数可以简单理解为器件对产生的反射的抑制或者衰减程度。

图 回波损耗公式

上面公式中，Pi是产生的入射功率，Pr是实际反射回去的功率。跟插入损耗一样，MACOM也混着使用Pi/Pr或者Pr/Pi。所以这个参数有时正有时负，只是绝对值越大越好。影响这个参数的主要因素是驻波比和材料的反射常数。

总体来讲，M器件使用AlGaAs工艺，能在7W的功率提供类似于0.25W功率的CMOS工艺的产品的射频性能，使得其适合应用在基站类的场合。而CMOS工艺的A产品因为功率、频率的因素，适合于应用终端类的场合。CMOS工艺的产品目前成本较低，且能使用TTL/CMOS电平来控制，但是由于工艺上先天性的缺陷使得其会逐渐被AlGaAs，GaN这样材料工艺的器件替代。[!--empirenews.page--]

RF天线开关：PIN二极管，硅(Si)，砷化镓(GaAs)与砷化铝镓(AlGaAs)

PIN二极管

如前所述，目前5G的核心依旧在于新型的无线接口。目前研究的重点频段在26GHz-40GHz，也就是所谓的Ka波段。2016年7月14日，美国的FCC为5G批准的频段正是28GHz, 37GHz和39GHz。

此处简介一下Ka频段的核心器件：PIN二极管天线开关。无论是波束形成还是MIMO都离不开这个器件。到目前为止的低频射频系统的天线开关主要采用的硅工艺的PIN(也称为正-本-负)二极管，但是新型的GaAs与AlGaAs的器件与硅工艺的产品有显著的优点(与缺点)。这里先介绍一下子PIN二极管。

图 PIN二极管示意图

跟一般的二极管不同的是，PIN二极管故意把i区也就是本征区做得很宽。这样做的结果是此二极管如果被用作一般的低频线路，其特性会变弱化。但是在高频线路中，PIN二极管是目前性能最好的天线开关器件。原因在于导通时其等效为一个电感加一个电阻，关断时其表现为一个电感+电阻+电容(某些文档会把电感省去以方便讨论)。除了用于高频开关之外，还有用于光电感应。但此处仅仅讨论它作为高频开关的特性。

它的特性主要由本征区的宽度来决定。假设i区宽度为W。

前向导通时的等效电路：

图 前向导通等效电路

公式：

图 前向导通公式

其中：

Q为电荷，单位为库伦，W为本征区宽度，单位为微米，Un和Up分别为电子与空穴的移动常数。L为寄生电感，一般<1nHy。此公式在f>(1300/(W*W))MHz时候成立。

零或者负偏置时的等效电路：

图 关断时的等效电路

公式：

图 关断时公式

其中e是材料的介电常数，A为节点横截面积，W依然为本征区宽度。

此公式在f>(1/2*Pi*p)时候成立，低于此频率时PIN表现为一个变容二极管。其中Pi为圆周率，p为本征区的电阻。Rp与偏置电压成正比，与频率成反比，一般实际应用电路终此电阻因为远高于Ct产生的阻抗而可以不计。

GaAs制作的PIN与Si材料PIN优缺点对比

Si材料的PIN作为老牌的开关器件材料，在无线系统中做开关已经很多年了。但是随着频率的提升，Si材料开始体现出一些局限性能。这些局限性体现在纳秒级的所谓“快速”PIN二极管上。局限的原因在于从关断转至导通而需要消除的电荷的载流子的速度。本征区越窄，电荷越少，也就越快，但同时要保持一个30-100V的击穿壁垒电压，本征区又必须保持一定宽度。

优点

· GaAs材料的本征带隙比Si材料要高。意味着同等击穿电压的GaAs工艺PIN能够使用更薄的本征区。也就是说能有更快的开关速度。同时此特性还能使得GaAs的PIN拥有更高的阻抗(即在低的前向偏置电压下拥有更小电容)，故此能够使用一般的TTL电路来直接驱动。因为TTL电平的低允许有0.2-0.3V的偏置，这个偏置如果直接接在Si材料的PIN，那么会使得该PIN导通或者部分导通，从而使得关断不完全，也就是降低了关断阻抗。

· GaAs材料具有直接的少数载流子跃迁复合。此特性使得载流子的“寿命”被局限在10纳秒内。此“寿命”越短，也就意味着越快的电荷消除速度。

缺点

· GaAs材料的光生寿命是Si的100分之一到50分之一。可用的扩散区长度也是Si的100分之一到50分之一。这一特性使得GaAs材料的PIN的本征区厚度的最高极限大大降低。目前实际能够使用的GaAs的最高击穿电压只能做到150到250V。用Si材料可以做到4000到6000V。

· GaAs材料的热阻大约是Si的三倍。使得GaAs材料的PIN的耗散功率因之被限制。

要指出的，目前在一般的RF应用中，反向电压与耗散功率并没有超过GaAs的这些局限。

两种材料的根本差别是载流子的跃迁复合方式，Si主要通过阱，GaAs主要通过直接复合。 直接复合的速度明显要更快一些。

AlGaAs与GaAs

AlGaAs与GaAs的晶格常数非常类似，但是带隙又增加了，故此相同击穿电压的PIN， AlGaAs材料的能够做更窄的本征区以获得更高的开关速度。另外根据研究证明，AlGaAs工艺的PIN在高频时插入损耗更低。由于这两者属于类似的产品，此处不多展开讨论。

除此之外，PIN的常用的制作材料还有GaN，SiGe，Si等等几种以及其变种。

图 常见的几种PIN制作材料以及它们在MIMO应用中的性能

由图可知，GaN是目前最好的PIN的制作材料，但是目前价格较贵而且还有一些专利纠纷正在进行，故此目前应用还不广泛。除此之外，GaAs算是性能价格能找到平衡的目前最好的材料。AlGaAs是GaAs的一种改良型变种。性能最差的就是Si材料的也就是所谓的CMOS工艺。但是由于成本最低，在对性能不那么严苛的条件下也是可以使用的。[!--empirenews.page--]

总结与展望

5G通信关键技术取得持续进展，应该说基础架构已经完成。现在还在探索的是已经是工程实践中的一些细节。随着MACOM为代表的基础器件厂商，华为高通为代表的基础设备厂商的联合运营商集体发力推进，可以预见5G的大规模应用将很快到来。至少在中国的大城市，很有可能2020年之前就有成熟的网络可以供用户使用。

参考文章,链接与资源

1. http://www.trustedreviews.com/news/ces-las-vegas-2017-news-highlights-rumours-dates-schedule-preview .

2. R. Caverly and G. Hiller, “Establishing the Minimum Reverse Bias for a PIN Diode in a High Power Switch,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.38, No.12, December 1990 .

3. https://www.gsmaintelligence.com/research/?file=141208-5g.pdf&download .

4. “5G White Paper”, Next Generation Mobile Networks (NGMN) Alliance, March 2015. Available at http://ngmn.org/home.html

5. “Waveform contenders for 5G - OFDM vs. FBMC vs. UFMC”, F. Schaich, T. Wild, Alcatel-Lucent, 6th International Symposium on Communications, Control and Signal Processing(ISCCSP), May 2014.

6. “What will 5G be?” J. Andrews, S. Buzzi, W. Choi, S. Hanly, A. Lozano, A. Soong, J. Zhang, IEEE Journal On Sel. Areas in Comm., Vol. 32, No. 6, June 2014.

7. MACOM Announces SMT Packaged Millimeterwave Switch for 5G Wireless Demonstration Systems. http://ir.macom.com/releasedetail.cfm?ReleaseID=1014524.

8. “Iterative Precoding of OFDM-MISO with Nonlinear Power Amplifiers”, I. Iofedov, D. Wulich, I. Gutman, IEEE International Conference on Communications, June 2015.

9. “Channel coding with multilevel/phase signals,” G. Ungerboeck, IEEE Transactions on Information Theory, Vol 28, Issue 1, 1982.

10. https://www.macom.com/products/product-detail/MASW-011098.