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天线设计梦魇终被扫,5G智能手机商用更近一步

时间:2018-07-24 作者:邵乐峰 阅读:
随着Qualcomm Technologies日前推出QTM052毫米波(mmWave)天线模组系列和QPM56xx 6GHz以下射频模组系列,5G大规模商用的梦想又向现实拉近了一步。

随着Qualcomm Technologies日前推出QTM052毫米波(mmWave)天线模组系列和QPM56xx 6GHz以下射频模组系列,5G大规模商用的梦想又向现实拉近了一步。

作为全球首款面向智能手机和其他移动终端的全集成5G新空口(5G NR)毫米波及6GHz以下射频模组,QTM052和QPM56xx可与Qualcomm骁龙X50 5G调制解调器配合,共同提供从调制解调器到天线(modem-to-antenna)且跨频段的多项功能,并支持紧凑封装尺寸以适合于移动终端集成。

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QTM052毫米波天线模组

作为完整系统,QTM052与骁龙X50 5G调制解调器可协同工作,共同支持先进的波束成形、波束导向和波束追踪技术,以显著改善毫米波信号的覆盖范围及可靠性。该系统包括集成式5G新空口无线电收发器、电源管理IC、射频前端组件和相控天线阵列,并可在26.5-29.5GHz(n257)以及完整的27.5-28.35GHz(n261)和37-40GHz(n260)毫米波频段上支持高达800MHz的带宽。

更重要的是,QTM052模组可将所有这些功能集成于紧凑的封装尺寸中,其封装面积可支持在一部智能手机中最多安装4个QTM052模组。这将支持OEM厂商不断优化其移动终端的工业设计,帮助其开发外形美观且兼具毫米波5G新空口超高速率的移动终端,并支持这些终端最早于2019年上半年推出市场。

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Qualcomm QTM052天线模组及Qualcomm骁龙X50 5G调制解调器

毫米波适用于在密集城市区域和拥挤的室内环境中提供5G覆盖,同时5G新空口的广泛覆盖将通过6GHz以下频段实现。

鉴于此,QPM56xx射频模组系列(包括QPM5650、QPM5651、QDM5650和QDM5652)可帮助搭载骁龙X50 5G调制解调器的智能手机在6GHz以下频段支持5G新空口。QPM5650和QPM5651包括集成式5G新空口功率放大器(PA)/低噪声放大器(LNA)/开关以及滤波子系统。QDM5650和QDM5652包括集成式5G新空口低噪声放大器/开关以及滤波子系统,以支持分集和MIMO技术。

上述四款模组均支持集成式信道探测参考信号(SRS)切换以提供最优的大规模MIMO应用,并支持3.3-4.2GHz(n77)、3.3-3.8GHz(n78)和4.4-5.0GHz(n79)6GHz以下频段。这些6GHz以下射频模组为移动终端制造商提供可行路径,帮助其在移动终端中支持5G新空口大规模MIMO技术。

被5G改写的RF前端生态

由于5G 毫米波频段存在着高传播损耗、指向性以及对于障碍物十分敏感等问题,因此,想要设计一款能始终运作而不至于失去信号的5G手机并不是一件容易的事。而在手机中部署5G毫米波无线信号的另一项挑战则是电池的寿命和耗电问题。

Qualcomm产品市场高级总监沈磊在接受媒体采访时表示,为了解决毫米波传输性能差的问题,高通不再使用全向发射,而是通过相控天线阵列实现定向发射,从而使能量能够传输的更远。实验数据表明,当天线尺寸为波长的1/4或1/2时性能最优,因此高通在降低天线尺寸方面做足了文章,把天线、以及包括收发器和放大器在内的射频前端都整合在一个模组里,从而能够更好地实现波束成形、波束导向和波束追踪功能。

根据中国移动的5G指导建议书来看,其对于支持5G非独立组网(NSA,即4G核心网加5G接入网)终端的基本天线要求是1T/4R,即1发4收;对于支持独立组网(SA,即5G核心网加5G接入网)终端的基本天线要求是2T/4R,即2发4收。如果再考虑到4x4 MIMO、802.11ac/ad/ax技术,芯片和手机厂商仅在天线端就面临着极大的挑战。

将天线和射频前端组件以模组形式提供给手机OEM厂商,是高通面对天线数量急剧增加提出的应对之道。由于手机内部的天线正不断受到电路板、屏幕、摄像头、电池等不同组件的挤压,空间越来越有限,天线性能也受到影响,因此在手机4个边立面上配备3-4个毫米波天线模组,以配合5G调制解调器芯片,能够完美解决上述挑战。但具体使用模组的数量,则需要OEM厂商在对性能、成本、工业和结构设计做出评估后灵活决定。

当然,还必须考虑整个手机系统中的天线联合设计和联合优化。举个例子,假如在系统中5G、4G和Wi-Fi共用了某一根天线,当这三个系统同时或分时工作时,就只有调制解调器和处理器可以知道每个子系统的工作状态,并根据各种预案发出相应的命令,然后各子系统会根据指令来调整各自的器件和射频链路,从而实现整体的性能表现和功耗控制。

沈磊不认为因为毫米波技术的使用,会颠覆消费者已有的手机续航习惯。“这是一个原则性问题。”他说,毫米波是定向发送的,并不需要在整个空间内发射信号。如果有办法知道接收端在什么方向,进而把信号都聚集在这个方向,就可以大幅度降低发送的信号。当然,影响功耗的因素非常复杂,除了定向发送外,器件和芯片性能的提升、更高超的功率控制技术的使用,也会起到比较大的作用。

另一方面,随着蜂窝标准从3G发展到4G,RF前端必须响应的频段数量从4个大幅增加到了40-50个,甚至更多。滤波器、切换器、放大器等前端器件模组化趋势日趋明显,例如多模多频的PA/PA整合、PA和切换器的整合等等,再加之毫米波、4X4 MIMO、更高调制方式、更高功率控制等新技术的出现,需要大量的硬件、软件和协议参与其中,如果仍然使用以前那种离散的、非系统化的局部优化,就会显得捉襟见肘,无法满足系统要求,也导致离散器件的生存空间受到极大压缩。

沈磊表示,5G将遵循“不同实施阶段、不同5G版本平行发展”的方向。换句话说,在2019-2020年这个时间段推出的第一批5G手机,可能绝大部分都是基于各个地区单独设计的,暂时还不会有一种统一的5G全球多模手机,而是“6GHz以下和毫米波各自依其路径发展。”

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