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天线 信号分析 解决方案
产品特写
 
面向智能手机的首款5G毫米波天线模块
录入时间:2019/2/19 16:09:06

要大幅提升5G增强型移动宽带业务的数据速率,需要依靠毫米波频率上的可用带宽。行业已经建议了28、39以及最近的24 GHz这三个毫米波专用频谱,许多国家的监管机构也正在分配频谱。

在基础设施方面,大量现场试验确定了毫米波传播特性,使得毫米波基站发展迅速。得益于散射和多路径技术,毫米波传播比许多人预期的更具弹性。使用相控阵列天线,基站可以提供必要的EIRP和波束导向,以实现具有必要链路裕量的空间覆盖。

基于行业获得的初期成功,包括Verizon在内的一些公司开始向固定用户部署定点无线接入服务,他们在窗口或沿屋顶线安装28GHz天线。在大多数情况下,用户可以获得可观的信号强度和数据速率,Signals Research Group在休斯敦进行的早期独立评估中证实了以上结果。

下一个大的不确定性是在毫米波频段上移动智能手机的性能。在开发面向手机可行的毫米波连接方面,手机和元件制造商面临着诸多技术挑战:

• 不论手机方向和手持位置,确保天线覆盖。

• 在发送和接收期间保持足够的链路裕量。

• 通过最大限度地减少功耗,最大限度地提高手机续航时间。

• 通过热设计使模块和手机的温升最小化。

• 使毫米波天线的尺寸最小,兼容智能手机的外观。

2018年7月,Qualcomm Technologies宣布了全球首款面向智能手机的QTM052系列毫米波天线模块。与骁龙X50 5G调制解调器一起使用,这一集成系统能够提供从天线到基带的处理方案,并且满足5G NR(5G新空口)Release 15规范。仅仅几个月后,在2018年10月份,Qualcomm在QTM052系列中增加了一个新的模块设计,与上一代产品相比尺寸减小了25%。更小的设计使得该模块可以安装在更薄的手机边缘,而且一个智能手机中可支持多达四个模块。

QTM052目前覆盖三个5G频段,在26.5至29.5GHz频段(n257)中支持高达800MHz的载波聚合带宽,并且覆盖整个27.5至28.35GHz频段(n261)以及整个37至40GHz频段(n260)。按功能划分,QTM052包括相控阵列天线、无线电收发机和电源管理。它与Qualcomm的X50 5G调制解调器相连,控制波束成形和波束导向。

天线阵列

有多种天线可供选择,可放置于手机的正面或边缘。Qualcomm的测试表明,两个位置的性能相似,所以取决于对其它设计的权衡,如手机的厚度。无论使用哪种配置,都需在手机中的不同位置安放数个天线模块,确保无论手机方向如何都能保证覆盖,并补偿手握终端时的信号阻塞(参见图1)。

1 手机的电磁仿真,表明了手持时引起的毫米波信号衰减

阵列使用贴片和偶极子天线,无论是单极化还是双极化。在每个极化和视轴的±45度波束导向范围内,这些阵列提供球面覆盖(参见图2)。

2 指示±45度波束导向的垂直极化贴片阵列的天线模式

收发器

用硅工艺制造的收发器RFIC集成了每个天线单元的发射和接收通道,同时提供RF和IF之间的频率转换。芯片集成的上下变频系统包括混频器、乘法器和锁相环的压控振荡器(参见图3)。

3 收发器RFIC的概念框图

功率放大器可以输出10到15dBm的功率,尽管它通常在工作时会回退到6到8dBm的输出,以满足5G NR的-25dB误差矢量幅度(EVM)线性要求。天线处的发射/接收(T/R) 开关置于接收路径中,因此不会降低输出功率。输入接收放大器的噪声系数低,即使没有考虑T/R开关的损耗也不会限制从基站到手机的下行链路的性能。片上数字电路对来自X50调制解调器的命令进行转换,以控制每个天线元件的T/R状态和相对振幅、相位。波束导向和阵列锥度都设置了无源移相器和带1dB增益控制步长的衰减器。

收发机RFIC封装在倒装芯片球栅阵列中,这些球栅阵列安装在包含天线阵列的板的背面(参见图4)。

4 收发器RFIC安装在包含天线阵列的板背面

EIRP与功耗

较短的毫米波链路范围、功率放大器的可用输出功率以及手机的外形,都对QTM052如何满足所需输出功率和做到功耗最小化提出了设计上的挑战。如前所述,硅功率放大器在28 GHz下可以输出10至15 dBm。单片λ/2贴片天线的增益为5dBi,2×2阵列提供额外的6dB求和增益和6dB的波束成形增益。使用单个极化可另外增加3dB,使天线总增益达到20dB,从而将无线电输出提高到30到35dBm EIRP。

采用RFIC BGA的板的热设计必须对热量进行引导,从而在手机中不会产生引起用户注意的“热点”。对于在28GHz发射64-QAM OFDM或SCFDM信号的2×2阵列,每个功率放大器回退大约6至8dBm。在该输出上,四个发射信道的典型DC功耗为350到380 mW。

5G手机即将上市

Qualcomm已经取得了令人惊叹的工程成就:利用带波束导向的多极化相控阵天线和满足5G NR规范的高度集成的RF收发器,开发了一款毫米波天线模块,这一天线模块足够小,四个模块可以装在智能手机中以确保手持时的信号覆盖。这种在商用产品中实现的工程水平和端到端系统集成度,与其能够实现的性能一样令人印象深刻。

全球运营商和智能手机制造商表示,首批5G手机将于2019年初上市。虽然Qualcomm不一定进行宣传,但毫无疑问你会发现正是QMT052在其中提供毫米波连接。

Qualcomm Technologies, Inc.

www.qualcomm.com


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