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专题 - 烽火科技以“云网一体”新成果亮相北京通信展 - 解决方案 - 正文

未来天线发展趋势

http://www.c114.com.cn ( 2017/9/25 15:18 )
5G时代临近,全球多国政府和组织、学术界与工业界均已开始开展5G原型系统与关键技术的研发,预计将于2020年进入商业化部署阶段,届时可实现高达10 Gbps的传输速率、1000倍的系统容量提升和千亿设备的连接,以满足移动互联网和物联网高速发展对移动数据业务的需求。与2G、3G4G技术的演进相比,5G技术已经不仅仅是追求传输速率的提升,而且是与各个垂直行业的应用相互结合,大带宽高速率、低时延高可靠、低功耗大连接等5G技术特点在不同行业中将有不同的需求,5G的行业推进一定不是技术驱动的产物,而是应用驱动的结果。 目前,5G通信系统要实现速率和系统容量的提升,需通过开发新频谱资源、提高频谱效率和布置超密集网络等途径实现,因此需要开发新的无线传输技术。毫米波频段(30GHz-300GHz)具有较丰富的频谱资源,能够提供较大的信号带宽,同时在毫米波频段采用波束赋形(Beam forming)技术可以有效地克服毫米波传输问题,从而扩展毫米波通信的距离。 大规模MIMO(大规模阵列天线)技术能够深度挖掘空间维度资源,使得网络中的多个用户可以在同一时频资源上与基站同时进行通信,从而在不需要增加基站密度和带宽的条件下大幅度提高频谱使用效率。大规模MIMO是5G关键技术之一,天线阵列单元可以达到64、128或更高的数量。由于更高频段的使用,天线的体积不会太大,对安装和使用不会造成困扰。因此,大规模天线为无线网的覆盖和效率的提升提供了基础。 大规模天线组网中,基站端拥有多根天线,通过数字信号处理自动调节各个天线发射信号的相位和幅度,使其在手机接收点形成电磁波的叠加。这种利用数字信号处理产生的叠加效果就如同完成了基站端虚拟天线方向图的构造,因此称为"波束成形"(Beam forming)。通过波束成形技术,发射能量可以汇集到用户所在位置,而不向其他方向扩散,并且基站可以通过监测用户的信号,对其进行实时跟踪,使最佳发射方向跟随用户的移动,保证在任何时候手机接收点的电磁波信号都处于叠加状态。在实际应用中,多天线的基站也可以同时瞄准多个用户,构造朝向多个目标客户的不同波束,并有效减少各个波束之间的干扰。这种多用户的波束成形在空间上有效地分离了不同用户间的电磁波,这种对空间资源的充分挖掘,可以有效利用宝贵而稀缺的频带资源并且几十倍地提升网络容量。 大规模天线阵列在5G系统的应用带来网络容量的大幅度提升,成为5G天线的主要形态,业界都在紧锣密鼓地进行相关的技术研究,在大规模天线阵列的技术开发中,还需克服以下技术难题,才能更好地使天线性能服务于网络应用: " 辐射单元密集组阵,互耦强,带来的各通道方向图一致性差。在5G大规模天线阵列辐射阵的设计中,阵元之间的横向间距仅为0.5λ,辐射单元之间的耦合效应特别强,带来方向图形不规则变化,不同频率之间的半功率波束宽度和增益跨度特别大。如果不解决这种方向图形变的影响,那么在波束数字赋型过程中,即使赋予了理想的幅度和相位权值,其合成的方向图也达不到理想形状。 " 多级校准及端口耦合带来的各射频通道幅度相位的偏差。在大规模天线阵列中,因为需要对各阵元的方向图进行数字合成,在合成前需保证各个通道的幅度和相位在合理的偏差范围内,如偏差较大则方向图合成效果不理想。一般要求各通道的幅度偏差在0.5dB,相位偏差在5°范围内。针对此问题在设计上采用针对性措施尽量减少不利影响:一是电路设计尽量对称设计,这样电路之间的耦合效果可以视为与结构对称;二是PCB板材选用薄板,微带电路线宽可以做窄,减少辐射损耗及耦合效果;三是控制加工误差,选用一致性好性能稳定的PCB原板;四是理论仿真结合实测结果进行设计修正。 烽火科技根据5G通信系统中大规模密集阵列技术相对常规基站天线的颠覆性,在天线辐射单元及其小型化技术、大规模密集组阵技术、高频特别是超高频(6GHz以上)技术工艺和产品组件、5G天线产品测试等方面均获得突破性进展。截止目前已经推出了2.6GHz、3.5GHz、4.9GHz等不同频段的大规模密集阵列天线(64阵列)的可商用产品;并对基于2.6GHz、3.5GHz、4.9GHz等不同频段的128阵列大规模密集阵列天线,以及6GHz以上例如28GHz频段的大规模密集阵列天线完成预研工作。 " 超多端口带来的测试误差和测试效率低下。5G天线不同于4G天线,相对于4G天线有限的2~12个端口数且端口连接器为统一的标准接口,5G大规模天线一般达到64、128,甚至更多端口数。目前测试电路参数的矢量网络分析仪一般支持2/4端口,测试时需在天线其他待测端口外接负载,这样测试效率极其低下,即使在不做任何调试的情况下,仅测试一副64通道天线的数据就需要4~6小时,且测试时间过长会造成校准端口失效,影响测试数据的准确性。目前比较高效的方法是通过矢网可扩展端口外接多端口测试矩阵,辅以数据采集软件,根据测试矩阵开关设计的端口数,可以同时测试8/16/24端口,极大地提高测试效率,且提高测试精确度。 除大规模MIMO技术和产品外,烽火科技旗下的虹信公司在毫米波基站产品方面也完成了研发。毫米波技术早在卫星和雷达系统上被应用,其最大的缺点就是穿透力差、衰减大,因此要让毫米波频段下的5G通信在高楼林立的环境下传输并不容易。支持毫米波相控阵与大规模MIMO的小基站是实现5G传输目标的重要方式之一。 毫米波相控阵收发机是实现以上两项关键技术的载体,而小型化、低成本和全集成的毫米波相控阵收发机是5G通信实现大规模应用必须突破的技术。图1为典型的5G小基站毫米波相控阵收发机的系统架构,包含了发射链路和接收链路。 图1 5G毫米波小基站相控阵收发系统架构 面向5G的需求,针对毫米波相控阵关键技术,在28GHz备选频段,虹信公司采用性能和成本折中的0.13 um SiGe BiCMOS工艺,开展了全集成、高性能5G毫米波相控阵列发射前端研究,其中包括高效率毫米波功率放大器、新型有源移相器和功率分配网络。在此基础上,我们重点进行了5G应用的毫米波小基站设备原型的开发。根据不同需求应用,以及针对5G毫米波小基站小型化、低成本和全集成等特点,虹信公司的5G毫米波小基站设备原型验证平台包括以下三种实现方案。 基于飞思卡尔B系列PPC&DSP芯片平台实现的5G毫米波小基站原型验证平台:B4420拥有两个双线程PA核,用于L2/L3处理,拥有两个SC3900 DSP核,用于L1处理,拥有JESD204接口,用于TRX或者高速AD/DA互联,实现单芯片5G小基站设备平台解决方案。 基于赛灵思Z7系列ARM&FPGA芯片平台实现的5G毫米波小基站原型平台:基于ARM&FPGA架构实现方案:XILINX Z7系列FPGA拥有多ARM核,用于L2/L3处理,拥有丰富的Slice资源,用于L1处理及bit流处理,拥有多高速Serdes接口,用于TRX或者高速AD/DA互联,实现单芯片5G小基站设备平台解决方案。 基于赛灵思RFSOC系列FPGA芯片平台实现的5G毫米波小基站原型平台:XILINX RFSOC系列FPGA拥有多ARM核,用于L2/L3处理,拥有丰富的Slice资源,用于L1处理及bit流处理,特别拥有多个高速AD/DA处理器,用于TRX处理,实现完全单芯片5G小基站设备平台解决方案。 武汉虹信通信技术有限责任公司紧跟5G标准化进展,展开了对5G关键技术研究,着手开发5G大规模密集阵列天线和5G小基站原型系统,在5G发展之路上砥砺前行。
作者:武汉虹信通信技术有限责任公司 刘奇   来源:C114齐乐娱乐网 版权说明:凡注明来源为“C114齐乐娱乐网”的文章皆属C114版权所有,除与C114签署内容授权协议的单位外,其他单位未经允许禁止转载、摘编,违者必究。如需使用,请联系021-54451141。其中编译类仅出于传递更多信息之目的,系C114对海外相关站点最新信息的翻译稿,仅供参考,不代表证实其描述或赞同其观点,投资者据此操作,风险自担;翻译质量问题请指正
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