ADI：5G改變射頻前端生態，組合工藝有望減少設計傷痛

市場研究機構IHS Markit在發布的《5G經濟》研究報告中指出，到2035年，5G將在全球創造12.3萬億美元經濟產出。這幾乎相當於所有美國消費者在2016年的全部支出，並超過了2016年中國、日本、德國、英國和法國的消費支出總和。

5G帶來的並非只是單純的速度提升。作為一個統一的連接架構，5G在這個連接設計框架內需要支持多樣化頻譜、多樣化服務與終端和多樣化部署。ADI通信業務部門CTO Thomas Cameron博士日前在接受《電子工程專輯》採訪時援引下圖指出，增強型移動寬頻(6GHz以上頻段)、關鍵業務型服務(1GHz-6GHz頻段)和海量物聯網(1GHz以下頻段)構成了5G業務的核心。 ADI通信業務部門CTO Thomas Cameron博士

5G服務的「鐵三角」

「鐵三角」具體而言包括：

• 增強型移動寬頻

極致吞吐量和超低時延是增強型移動寬頻的兩大特徵。傳統來看，4G技術更多依賴於授權頻譜，然而5G從頂層設計初期，就把授權頻譜、非授權頻譜和共享授權頻譜進行了統一規劃和設計，毫米波和超大規模MIMO將在其中扮演關鍵角色。

• 關鍵業務型服務

該類型應用對可靠性、超低時延和普及易用性要求極高，例如需要超過99.999%的可靠性和1ms的延遲性。目前的高級駕駛輔助系統(ADAS)更多屬於被動模式的自動駕駛，完全是通過車載感測器對周圍信息的獲知做出判斷，存在限制。但如果車與車之間具備V2V這種關鍵型業務服務的能力，那麼真正意義上的自動駕駛就會實現。

• 海量物聯網

包括智慧城市、智能家居、公共設施流量的監控和計量、可穿戴設備、遠程感測器驅動等。例如用於水表、電錶和公共環境信息監測等應用的感測器，往往要求在部署多年之後都不需要更換，聯網終端的電池續航時間長達5-10年，節能性就必須要做得很好；其次，終端和晶元的成本要降到幾美元甚至更低；其三是深度覆蓋，也就是從遠程角度支持可擴展的覆蓋能力。

「在從4G向5G的網路遷移過程中，全球移動數據流量複合增長率達40%。運營商為了要追趕上消費者對數據和無處不在連接性的巨大需求，在網路容量、室內覆蓋以及頻譜等領域承受著相當大的壓力。」Thomas Cameron說。

提升5G網路覆蓋與容量的關鍵技術

從全球各國5G的部署情況來看，美國傾向於使用微波頻段，中日韓等亞太國家則主打sub-6GHz頻段，歐洲與中國思路類似。從ADI角度看，5G將會率先在sub-6GHz頻段實現規模部署，小基站(Small Cell)和Massive MIMO將成為提升5G網路覆蓋與容量的關鍵技術。

然而，以前的小基站只支持一個頻段，現在需要支持三到四個頻段，天線密度也會從之前的2T2R/4T4R躍升至64T64R/128T128R。儘管頻譜效率可以提升5倍，但是採用這種大規模MIMO天線集成的做法，勢必會在體積、成本和功耗等方面帶來挑戰。

作為射頻與微波產品線最全面的供應商之一，ADI自2014年來先後成功收購了HITTITE微波、Symeo GmbH、Innovasic和凌力爾特等公司，在高速轉換器、射頻與毫米波解決方案、高集成收發器、精密時鐘和電源等五大領域形成了完整布局。Thomas Cameron在採訪中也重點強調了ADI兩款最具代表性的產品：AD9371、業界首款集成DPD功能的AD9375，以及在2016年5月推出的RadioVerse技術和設計生態系統。

與傳統OEM廠商仍採用離散器件(放大器、混頻器、解調器、ADC/DAC、濾波器等)來搭建所謂的SDR平台不同，ADI RadioVerse的做法是通過提供集成式RF收發器、軟體API、設計支持包、完備的文檔、ADI EngineerZone在線技術支持社區及其他資源，為客戶提供集成收發器技術、魯棒的設計環境和針對特定市場的技術專長，使其無線電設計能夠快速從概念變為產品。

5G毫米波改變射頻前端設計

再看一下微波和毫米波頻段的5G接入系統。微波頻段下(預計將執行於28GHz、39GHz或60GHz頻率)無線接入的最大障礙之一是克服不理想的傳播特性，這些頻段下的無線傳播在很大程度上受到大氣衰減、下雨、障礙物(建築、人群、植物)以及反射的影響，若要克服接入系統的傳播難題，就需要採用自適應波束成形(Beam-forming)技術。此外，寬頻數據轉換、高性能頻譜轉換、高能效比電源設計、先進封裝技術、OTA測試、天線校準等，都構成了微波和毫米波頻段5G接入系統面臨的設計難題。

Thomas Cameron向記者強調了先進工藝在其中扮演的關鍵角色。眾所周知，GaAs多年來一直是微波行業的主流技術，一流的微波系統也通常採用GaAs元件實現，但SiGe工藝和傳統的CMOS工藝又能否佔有一席之地呢？

「這取決於每個天線所需的輸出功率，比如輸出功率在100mW時，基本會選用GaAs/GaN PA；如果功率只有10mW，SiGe工藝就能夠實現。」但他也提醒說，在微波頻率下甚至GaAs PA都效率較低，因為它們在線性區域內通常會發生偏移，而SiGe工藝正在克服高頻工作障礙，以便在多項信號路徑功能上與GaAs一較高下。同時，波束成形技術會降低PA功率發射的限制和要求，這給了CMOS技術能夠發揮作用的空間，再加上CMOS工藝具有波束成形系統所需的高集成度，這對很多信號鏈和輔助控制功能來說是個福音。

當然，這也意味著，設計者必須要具備把不同性能的組件整合在一起的能力。目前，ADI在上述三個領域都進行了廣泛的技術投資，有能力提供從前端ADC/DAC到後端天線陣列的完整解決方案。

5G系統的最後一個考慮因素是機械設計和RF IC分割的相互依賴性。在50GHz以內，天線將是基板的一部分，並且預期路由和部分無源結構可能內嵌到基板上；超過50GHz時，天線元素和間距就會變得足夠小，可將天線結構封裝在內，或集成到封裝上。因此，RF IC和機械結構都必須一併設計，確保路由的對稱性，並最大程度減少損耗。也就是說，如果沒有強大的3D建模工具來進行這些設計所需的大量模擬，那麼這些工作一項都不可能完成。

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