据业界预测,与目前的无线网络容量相比,新兴的5G无线标准承诺可以向更多的用户,以更高的数据速率,提供更高的数据—到2025年带宽将增加1000倍。实现这个目标的一种方法是使用大规模MIMO,即使用由各独立信号驱动的单元阵列组成的天线。这种天线阵列可以形成多个信号波束。大规模MIMO可以应用在存在大量散射的环境中,也就是说即使信号被建筑物和其它物体散射的条件下,也同样可以通过多条路径到达每个用户。在目标用户位置,来自所有这些路径的信号有益地叠加在一起,从而实现高数据速率。在远离目标用户的地方,信号是不相关的,仅是增加了背景噪声。

运营商想通过这种方式来持续改进他们的服务,不过这也需要付出一定的代价,特别是在基站和终端设备的复杂性和相关功耗不断提高的情况下。

那问题的关键是什么呢?在模拟域可以做多信道相移,即接收发送过来的数据流,以天线阵列中的单元数量对它进行划分,然后对每份数据流进行相移处理(见图1)。这种方法是可行的,但缺乏灵活性,它只能处理一个数据流,因此也只能产生一个信号波束。如果系统需要处理多个数据流,用一个阵列产生多个波束,我们就需要采用数字波束成形,如图2所示,其中天线阵列中的每个单元都有自己的收发器和数据转换器组。

201606 MRF Covet story F1 图1:适合5G天线阵列的模拟域相移。(来源:AMPLEON) 201606 MRF Covet story F2 图2:数字波束成形阵列的基本架构。(来源:AMPLEON)

更高的复杂性将导致更大的功耗,因此,需要加以有效控制,以减少环境影响和运营成本,以及冷却挑战。

评估天线阵列的冷却需求

就拿工作在30GHz的4×4天线阵列面板来说,它们的天线单元之间的距离是半个波长,即5mm。要想使用数字波束成形,那么每个单元都需要2个DAC(用于I和Q)、2个ADC、1个锁相环、1个低噪声放大器、1个功放、1个发送/接收开关以及一些放大器和包括滤波器在内的其它电路。基于成本和尺寸的原因,针对每个单元的电路理想情况下应该在一个芯片上。天线组装时应该将16个芯片均匀地排放在面板上,以便它们与对应驱动的天线单元都有最短的连接,它们产生的热量也能够均匀的散发,如图3所示。 201606 MRF Covet story F3 图3:4×4天线阵列面板,上面有均匀分布的天线单元和一个中央处理单元。(来源:AMPLEON)

如果每个功放的峰值输出功率约为20dBm,并采用目前最先进的技术制造,那么这样一个面板的总体功耗将是3W至4W。这已经假设使用的数据转换器具有有限的位深,因为研究表明,当使用多个天线单元而不是单根天线时,我们可能需要较低的分辨率就可以向接收机提供相同的信号完整性。然而,数据转换器仍然需要工作在较高的速度,以便处理较大的信号带宽。在发送时功放占约75%的总功耗,因为毫米波频率的效率非常低。

Doherty电路架构和包络跟踪等技术可以用来提高功放的效率,但它们需要精心设计数字预失真电路,才能达到可接受的杂散信号电平,但这种电路本身也会耗电。从这点来看,这些技术的好处会被实现它们的能源成本所抵消,因此基本上没有益处。这种4×4阵列例子非常接近于转折点,因此应用这种节能功放架构没有什么意义。即使是简单的纯线性AB类放大器也要求某种类型的能效线性化。幸运的是,大规模MIMO系统可能使用TDD,而且功放只是部分时间工作。

在我们的设计例子中,400mm2的面板上产生的热量在3W至4W之间。出于成本、能耗(要用风扇)和可靠性的原因,我们想进行被动的冷却。我们可以用带散热片的铝板做到这一点,这种材料具有约60 W/m2K的冷却能力。假设60℃的环境温度 (想像夏天安装在中东地区屋顶上的基站吧),以及天线面板与收发器芯片之间连接点100℃的温度,速算结果表明,我们可以冷却0.25 W/cm2,或者阵列需求的约四分之一。为了散发整个3.5W的热量,我们需要约1400mm2的冷却面板。

解决这个问题的一个途径是搭建一个合适尺寸的面板来冷却电路,然后让电路驱动一个单独的、更小的天线阵列面板。对4×4单元阵列来说这是起作用的,但对于有数十甚至数百个天线的阵列来说这种做法就不实用了。

搭建一个稀疏天线阵列

一种解决方案是使用稀疏阵列架构,这种架构中的天线间距要比发射波长大得多,但天线阵列仍不应该产生不需要的旁瓣或紧邻发射波束的波瓣,以避免干扰。

单元间距等于或大于发射波长λ的天线阵列很容易产生不想要的波瓣—如果天线单元以不均匀的栅格布放。如果单元间隔是不均匀的,就像图4所示的150个单元组成的“向日葵阵列”那样,那么平均单元间距可以更大,本例是5λ,不会有波瓣的困绕[1]。 201606 MRF Covet story F4 图4:非均匀天线阵列,以向日葵方式建模。(来源:AMPLEON)

为了设计向日葵阵列,天线单元沿费尔马螺旋曲线布放(见图5),因此每一圈都会包含相同数量的面积。各个单元位于螺旋线上的角度χ的倍数点,χ等于4π/(3+√5),即所谓的黄金角。

201606 MRF Covet story F5 图5:费尔马螺旋线。(来源:AMPLEON)

向日葵阵列具有几乎均匀的功率密度,如果所有单元都被激励到相同电平,它可以简化冷却机制,并高效地使用总孔径。这种安排不会产生不想要的波瓣,它的波束角度也可以像密集阵列那样得到控制。这使得向日葵阵列成为稀疏阵列一个很好的候选品种,这是被动冷却5G毫米波天线面板所需要的阵列。 稀疏阵列的3dB波束宽度反比于孔径尺寸A,这意味着使用它们进行冷却更容易,也意味着接受更窄波束的设计折衷。使用针对范围为150米的接入点的合理假设,简单计算就可以表明,最大可实现的波束宽度可能是5到8度------很有效的一种笔形波束。

本文小结

在5G系统得到现场部署之前还面临许多研究挑战。对物理硬件来说最重要的挑战是降低功耗,并为阵列面板开发低成本的装配技术。

参考文献 [1]Maria Carolina Vigano, 适合多波束卫星应用的向日葵阵列天线, PhD Thesis TU Delft,2011, ISBN 987-94-6113-030-3