面向5G通信的射頻關鍵技術探析

寧書德

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面向5G通信的射頻關鍵技術探析

寧書德

中通服建設有限公司，廣東 廣州 510000

現階段，4G通信技術在我國得到了廣泛的應用。隨著科學技術的不斷發展，新一代5G通信技術也將順勢而生。目前，我國各行業都將物聯網技術與互聯網技術巧妙地引入了企業中，完成了企業的升級和轉型。在未來的日子里，5G通信技術將迎來黃金時期。根據自己多年的經驗，對面向5G通信的射頻關鍵技術進行了研究與闡述，希望能為5G通信技術的發展提供借鑒。

5G通信；射頻技術；研究

引言

現階段，我國居民使用的移動通信都是4G通信信號，與之前的移動通信技術相比，通信質量與通信功能都有了較大的提高。人們生活水平的不斷提高，對移動通信技術也提出了更高的要求，4G通信技術已無法滿足現代化社會對網絡的發展需求，因此我國工業和信息化部也加快了5G通信技術的研究與規劃進度。例如，5G在6?GHz以下頻段規劃方案以及5G技術試驗毫米波段用頻協調等。5G通信技術的網絡速度將是現階段的100倍，網絡延遲也會下降50倍，密度提高10倍，能夠推動通信行業的發展。5G通信技術還在研究階段，發展尚不成熟。因此相關技術人員應加快研究速度，讓5G通信盡快應用到人們的生活與工作中。

1 面向5G通信的射頻關鍵技術分析

1.1 同頻全雙工技術

1.1.1 同頻全雙工收發機結構

5G通信系統的核心是射頻收發機。同頻全雙工收發機是目前射頻收發機中最先進的。FDD收發機的收發隔離必須通過雙工器和濾波器來實現，而TDD收發機的時分雙工操作必須通過收發切換開關來實現。同頻全雙工收發機能夠省略雙工器與切換開關，通過發射通道和接收通道的同頻工作就能夠實現。全雙工系統的收發隔離主要與設備前端天線的隔離度和射頻模塊中接收和發射通道的設計相關[1]。同頻全雙工收發機能夠打破雙工器與切換開關的局限性，能夠讓發射通道與接收通道同時工作在一個頻率。同頻全雙工收發機結構如圖1所示。

圖1 同頻全雙工收發機結構

1.1.2 同頻全雙工收發機自干擾問題

傳統的FDD無線通信系統與TDD無線通信系統，一般采用半雙工方式，主要是因為可以實現發射與接收之間的隔離。FDD無線通信系統能夠抑制不想要的信號問題的原因是該系統將發射與接收分開建立，不在同一個頻段。在TDD無線通信系統中，傳送和接收在同一頻率信道的不同時隙，用保證時間來分離接收和傳送信道。同頻全雙工無線通信系統中的發射和接收是在同一個頻段同時工作的，雖然打破了雙工器與切換開關的局限性，但是在工作過程中會產生巨大的干擾，影響接收通道信號的接收，我們將這種干擾稱之為同頻全雙工系統的自干擾[2-4]。同頻雙工收發機結構的自干擾主要是由環形器的端口隔離度有限而發生的泄漏引起的。收發天線分離同頻雙工收發機結構的自干擾主要是由發射天線與接收天線直達路徑的響應與發射機近散射體而導致的發射雜散引起的。分離的收發天線頻率響應測試結果如圖2所示。

圖2 分離的收發天線頻率響應測試結果

1.1.3 同頻全雙工自干擾抵消技術

同頻全雙工自干擾問題嚴重阻礙了5G通信技術的發展，因此根據自干擾問題的具體原因，研發同頻全雙工自干擾抵消技術，進而推動我國5G通信技術的發展?，F如今，相關專業人士經過不斷努力，研發出了多種同頻全雙工自干擾抵消技術，主要采用數字域自干擾消除方法與模擬域自干擾消除方法。

數字域自干擾消除方法主要是利用ADC對各接收端的信號進行詳細的采樣，從而在數字域中實現自干擾抵消的效果，同時利用ADC將抵消信號轉化到模擬域，然后通過附加的發射頻道調制到射頻將自干擾問題抵消。模擬域消除方法是利用在射頻電路上合成的自干擾信號的等幅反相信號來實現的[5]。同頻全雙工自干擾抵消技術對同頻全雙工技術有著重要的價值與作用。同頻全雙工自干擾抵消技術的優勢主要體現在以下幾個方面。

（1）射頻域的抵消技術能夠擴充接收機的容量，防止接收機出現飽和。抵消技術通過提高發射與接收之間的隔離，從而平衡干擾信號進入與接收時的強度。

（2）射頻域的抵消技術能夠打破收發機本振相位噪聲與接收通道線性、非線性失真等問題的限制。

（3）射頻域的抵消技術能夠抵消發射機非線性失真引發的非線性自干擾問題。

想要實現射頻全雙工技術，就必須不斷研究射頻全雙工自干擾抵消技術，充分利用數字技術與模擬技術來研發更多的自干擾抵消技術，從而推動我國射頻全雙工技術的發展。同頻全雙工自干擾抵消裝置框圖如圖3所示。

圖3 同頻全雙工自干擾抵消裝置框圖

1.2 大規模MIMO技術

大規模MIMO技術即多天線技術?，F階段，多天線技術已經得到了通信企業的廣泛應用。例如，Wi-Fi無線通信系統與LTE無線通信系統中都應用了該技術。一般情況下，天線的數量不僅關系通信系統頻譜效率與穩定性，而且還關系通信系統的傳輸速度，天線數量越多功能就越強。大規模MIMO技術必須將大量的天線設置在一個基站中，從而最大限度開發空間的維度資源，提高5G通信技術的頻譜效率?；局械奶炀€可以選擇部分價格實惠、耗電量小的天線組件，來節約投資成本。大規模MIMO技術是通過將通信波束集中在控制范圍之內來降低干擾，從而降低通信發射功率，提高通信的功率效率。天線的數量越多，通信系統的線性檢測與編碼的質量就越高。射頻中的大規模MIMO技術實現了5G通信系統的高頻段，不僅提升了通信系統的容量，而且拓寬了網絡覆蓋的面積，同時提高了無線頻譜的效率。5G 的LTE頻譜分配圖如表1所示。

1.3 毫米波頻段移動通信系統

1.3.1 毫米波頻段移動通信技術概述

表1 LTE 頻譜分配表

隨著現代化社會通信行業的不斷發展，5G通信技術中的毫米波頻段移動通信技術拓寬了5G通信技術的發展領域?，F階段，我國低頻段頻譜資源的利用空間已經幾乎沒有了，目前幾乎很難遇到能夠與之媲美的新型頻段。5G通信的優勢主要是頻率的傳輸速度快，因此對傳輸帶寬以及射頻中的各個構件的要求也相對較高。毫米波頻段技術能夠滿足5G通信系統的要求。毫米波的意思就是波長在毫米數量級中的電磁波。毫米波的頻率一般在30～300?GHz范圍之內。據相關調查結果，無線通信中的最大信號5G帶寬類似于5%的載波頻率，因此無線通信的最大信號帶寬與載波頻率成正比。在未來的日子里，5G通信的射頻技術中毫米波段的28?GHz與60?GHz頻段將會是利用率最高的頻段。這兩個頻段中的各個信道的頻譜帶寬最高可達2?GHz，將會是現如今4G通信頻譜帶寬以及載波頻率的10倍，使5G時代的用戶不需要下載，就可以快速觀看任何喜歡的電影以及視頻等[6]。

1.3.2 衰減大、繞射能力弱的特性分析

雖然毫米波頻段通信技術能夠加快頻率的傳輸速度，但是暴露在空氣環境下的毫米波頻段技術的效果會大大減弱，嚴重影響毫米波頻段技術的繞射能力。通俗的說法就是，如果毫米波頻段技術受到空氣中各物質的影響，就會導致穿墻能力減弱。毫米波頻段通信技術在空氣和氧氣作用下的共振率是60?GHz，能夠降低附近終端之間產生的信號干擾。由此可見，毫米波頻段技術并不適用于設置在露天基站距離遠或者使用手機終端的場所?，F階段，5G通信技術的研發人員暫時將毫米波頻段技術的使用定位于視野開闊的場所，采用傳統的 6?GHz以下的頻段來保證通信網絡信號的覆蓋面積。

1.3.3 毫米波波長小的特性分析

一般情況下，天線的長度決定了波段的波長，因為天線的長度與波段的波長是成正比的。毫米波波段的波長要比傳統波頻段技術中波段的波長小得多，因此毫米波頻段的天線長度也要比傳統波頻段中的天線長度小得多。在5G通信系統中應用毫米波頻段技術就能夠實現在用戶手機上隨意配備毫米波天線陣列。通俗說法就是5G通信技術能夠實現發射端、接收端分別配置不同數量的發射天線以及接收天線，從而大幅提高移動通信的質量與效果[7]。

1.3.4 節省成本和控制功耗的技術分析

現階段，5G通信技術研發人員為了節省成本和控制功能的消耗，在毫米波頻段收發機的芯片方面采用了CMOS工藝。這種工藝不僅能夠節省成本，而且還能夠實現數字模塊集成。5G通信系統中的收發機對于毫米波頻段技術也有一定的要求，要求CMOS器件必須在毫米波頻段上操作。這樣一來就提高了CMOS 器件信號對靈敏度的要求。CMOS 器件還能夠控制功耗，通過控制端來對流量進行調整。如果想要CMOS 器件對毫米波的信號做出快速反應，就必須調高直流的電流，因此毫米波信號的強弱具有控制功耗的功能。

1.3.5 毫米波發射機結構設計

在毫米波發射機結構設計過程中，需要對以下幾個方面進行全面的考慮。

（1）發射功率

發射功率是毫米波發射機的核心所在。毫米波發射機前端的功放決定了發射機的功率。各個毫米波的發射通道的發射功率必須為10?dBm。中頻發射系統的毫米波前端的混頻器與增益的線性度決定了發射系統的輸出功率，因此對中頻發射機的輸出功率要求不高。

（2）發射雜散

發射雜散是毫米波發射機的一個關鍵指標。在設計過程中，如果帶外發射雜散過大，則會對其他系統的正常運行造成一定的影響，因此毫米波發射機對于發射雜散有著嚴格的要求。如圖4所示，發射雜散來源于毫米波前端射頻器的各種頻率分量，因此在毫米波前端中利用SIW濾波器濾除鏡像頻率以及其他的結合頻率分量。

圖4 毫米波發射機單通道結構

（3）載波抑制

毫米波發射機的載波泄漏主要是由毫米發射機的本振泄漏而造成的。由于本振信號本身的空間串擾以及器件本身隔離度有限，因此會導致本振泄漏到射頻信號上。通常情況下，可以利用調整調制器的基帶直流偏移來對載波進行抑制。

（4）發射功率控制動態范圍

想要實現毫米波頻段的增益控制，不僅成本較高而且難度較大，可能造成毫米波前端復雜化，所以在實現發射機的功率控制時，可以通過在中頻使用數控衰減器來完成。

（5）通道增益平坦度

毫米波頻段的通道平坦度直接影響信號的線性真實性。如果通道平坦度不夠，就將造成信號的線性失真，引發調制信號的碼間干擾。射頻器本身的特性以及電路的匹配對于通道的平坦度有著決定性作用，在設計過程中以及后期的電路調試過程中都要提高對各個器件的阻抗匹配的重視度。在毫米波發射機結構設計過程中，還要特別注意調制器基帶的調制帶寬應滿足設計所需的帶寬需求。

2 總結

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對移動通信的速度、質量、功能等方面都提出了較高的要求。5G通信的誕生是現代化社會發展的必然趨勢。5G技術比現今的4G移動通信技術更先進，在用戶體驗方面、傳輸延時方面、系統安全方面以及覆蓋性能方面等都有了顯著的提高。面向5G通信的射頻中的同頻全雙工技術與毫米波頻段技術的應用，更加快了我國5G通信的發展速度，改善了我國移動通信的質量與效果。

[1]劉旭峰. 分析5G通信射頻關鍵技術[J]. 中國新通信，2018，20（2）：15.

[2]羅德宇. 面向5G通信的射頻關鍵技術研究[J]. 計算機產品與流通，2017（9）：151.

[3]陳河. 面向5G通信的射頻關鍵技術探究[J]. 通訊世界，2018（3）：65-66.

[4]皮和平. 面向5G通信的射頻關鍵技術研究[J]. 通訊世界，2017（2）：16-17.

[5]黃顯強. 面向5G通信的射頻關鍵技術分析[J]. 電子測試，2017（6）：68-69.

[6]宋剛. 面向5G移動通信技術的射頻關鍵技術研究[J]. 中國高新技術企業，2017（8）：17-18.

[7]楊彬祺. 面向5G通信的射頻關鍵技術研究[D]. 南京：東南大學，2015.

Research on Key Technologies of RF for 5G Communication

Ning Shude

China Comservice Construction Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510000

At this stage, 4G communication technology has been widely used in China. With the continuous development of science and technology, a new generation of 5G communication technology will also take advantage of the trend. At present, all industries in China have introduced the Internet of Things technology and Internet technology into the enterprise, completing the upgrade and transformation of the enterprise. In the days to come, 5G communication technology will usher in its golden age. Based on author’s many years of experience, he has conducted in-depth research and elaboration on key RF technologies for 5G communication, hoping to provide reference for the development of 5G communication technology.

5G communication; radio frequency technology; research

TN929.5

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