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射频SOI为5G mMIMO有源天线系统赋能
录入时间:2023/5/17 10:46:50

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射频SOI5G mMIMO有源天线系统赋能

Payman Shanjani、Vikas Choudhary,pSemi Corporation

与传统的无源天线系统(PAS)相比,有源天线系统(AAS)的优越性能正在推动电信应用中的基站向AAS过渡。这些AAS由几个甚至几百个天线单元组成,根据结构的不同,需要不同的射频信号到天线单元的链路。这种方法允许MIMO和波束赋形能力,但它也大大增加了天线系统的复杂性,尽管通常每个信号链的射频功率较低。这改变了电信射频前端(RFFE)的形态,从少数非常高功率的信号链组件变为众多具有不同设计标准和考虑的低功率组件。最新一代的射频绝缘体上硅(SOI)技术很适合这个变化,用于6GHz以下和大规模MIMO(mMIMO)收发器的信号链元件。

向AAS过渡

传统的蜂窝式移动基站基于同质化的蜂窝结构,大型基站间隔稀疏地覆盖目标区域。覆盖这些范围,传统上要求基站位于大型塔台或较杂乱的城市环境中的高楼顶上。一般来说,射频单元(RU)位于技术人员容易接近的位置,天线使用远端射频头(RRH)系统放置在塔顶或建筑物边缘。RU沿着PAS中的有损射频同轴电缆传输天线信号。

这种蜂窝模式需要全向或定向天线,在宽广的覆盖区域内辐射,以服务尽可能多的用户。与总辐射能量相比,用户设备(UE)接收的能量很低,导致辐射能量效率低。只有一个大的发射天线,同样的信号发送到整个覆盖区。这种方案支持来自特定基站的有限数量的同步用户,如图1的框图所示。

这种方法成功地服务于传统设备和传统用例,但移动设备的数量正在增长。设备数量的增长和增强蜂窝性能的要求都是推动使用mMIMO天线的基站发展的因素。这些基站能够支持大量的UE,但它们必须在架构上有所转变。因此,目前正在进行大量的开发工作,旨在实现AAS的MIMO和波束赋形技术。

mMIMO AAS中的射频单元位于天线附近或与天线集成。这使得RU和天线之间的射频信号路由大大缩短。mMIMO阵列将发射和接收信号路由到大量的辐射单元。每组天线单元至少有一个RFFE,每个天线单元可能有一个RFFE。这种结构支持mMIMO接入和波束赋形,从而形成一个具有可控波束模式的天线系统,与空间复用兼容。空间复用允许基站和UE之间同时有多个数据流,以最大化容量和覆盖范围。一个mMIMO AAS的前端概念性地显示在图2中。

这些mMIMO AAS比传统的基站要紧凑得多,众多的低功率射频信号线取代了单一的大而无当的信号路径。MIMO能力增强了辐射效率,因为波束赋形架构和mMIMO技术能够实现更多的定向天线模式,将基站的辐射能量集中到UE。图3列出了不同基站分类的一些特点、优势和用例。

根据使用情况,MIMO和波束赋形AAS可以通过为一个或多个用户分配多个波束来增强下行和上行信号强度和小区吞吐量。高度定向的波束赋形天线减少了传输和接收干扰。这可以极大地改善小区内部和相邻小区的网络性能,特别是在干扰受限的小区部署中。图4比较了传统无源和mMIMO基站天线的特点和性能。

尽管AAS有性能上的优势,但也有需要折衷之处。mMIMO AAS更加复杂,有更多的内部组件和路由,这可能使它们更加昂贵。增强的性能需要更多的基带和天线处理能力,这可能使AAS架构比覆盖相同频率的传统PAS架构更大、更重。

历史上,无线基站一直依赖于输出功率通常在20W以上的射频发射链。功率放大器(PA)是用LDMOS、GaAs和最近的GaN制造的。随着高阶AAS的部署,每个信号链的射频功率水平下降,这为其他半导体技术提供了机会。图5显示了几个基站配置的射频功率与工作频率的关系。向mMIMO AAS的发展正在将射频功率器件的市场份额从LDMOS和GaN转移到SOI和GaAs等低功率技术。如图6所示,这些机会来自业界似乎正在向32T32R和64T64R的无线基础设施架构靠拢。图7显示了前端模块(FEM)的更多细节,我们看到对开关、放大器、衰减器和移相器的需求。

AAS给Soi带来机会

随着无线基础设施架构向AAS中的mMIMO发展,射频设计者面临着设计、开发和制造射频元件和天线系统的挑战。mMIMO AAS包含更多的元件,它们更加复杂,以满足日益增长的性能需求,但用户收入增长一直很低迷。运营商正在努力使他们的投资回报最大化,这给系统和元件OEM带来巨大的价格压力。

还有其他方面的影响。每个收发器的射频功率较低,但有更多的收发器,需要更多的数字基带处理,这增加了功耗、占地面积和重量。这对运行费用和尺寸有直接影响,迫使射频元件制造商开发更高效和更高度集成的解决方案。这些因素正在使SOI技术成为无线基础设施应用中更有说服力的解决方案。

射频SOI基础与优势

SOI技术涉及在分层的硅绝缘体-硅衬底中制造硅半导体器件。这种方法通过减少器件内部和与基材之间的寄生电容来提高性能。与硅相比,SOI有更高的隔离度、线性度、传输频率和更低损耗。SOI技术使用的工艺与块状CMOS相似,受益于较大的晶圆尺寸和成熟的制造产业链。尽管使用的是硅工艺,但SOI晶体管不像硅晶体管那样容易出现闩锁现象。

堆叠也增加了SOI技术的功率处理能力。晶体管堆叠通过"浮动"一系列晶体管来增加可以处理的最高电压。理想情况下,晶体管堆叠的最高电压是每个晶体管的最高电压乘以堆叠的晶体管数量,几乎允许任何最高电压。然而,堆叠的晶体管对基底的寄生电容(Csub)会降低堆叠的整体功率处理。相对于漏极电容(Cgd)和源极电容(Cgs)而言,Csub越高,堆叠性能就越差。幸运的是,与其他技术相比,SOI技术的Csub非常低,可以实现非常高效的堆叠。

SOI在6GHz以下5G基站中的机会

图8显示了6GHz以下AAS基站中的RRH基站的典型性能要求。它指出了每个功能的典型半导体技术。假设典型的接收机IC输入和发射机IC输出功率为0 dBm,天线上的平均辐射输出功率为320 W,即55 dBm,则限制了首选技术的范围。Doherty放大器拓扑结构中的LDMOS器件表现出10dB的峰值-平均功率比,是放大器的首选末级解决方案。功率放大器的峰值输出功率将至少为65 dBm,该级的增益可能相对较低以支持高功率水平。因为每个级的增益都是有限的,所以多个增益级用于产生所需的输出功率。鉴于级联要求,发射(Tx)增益块是SOI技术的唯一候选项。在这个分析中,砷化镓放大器支持输出功率放大器的驱动级。功率放大器输出端的耦合器为数字预失真(DPD)电路提供反馈,增强了发射器的线性度和效率。这种拓扑结构在天线端口有一个环行器,用于路由Tx和Rx(接收)信号,在接收器低噪声放大器(LNA)输入端有一个接收器保护电路,通常是一个高功率、非SOI PIN二极管。Rx信号链使用砷化镓LNA和增益块以获得低噪声系数(NF)性能。

虽然RRH没有很多SOI技术的机会,但图9所示的mMIMO AAS有。在这个例子中,每个天线的辐射功率都是10W,但总辐射功率与前面的例子相同。由于PA的峰值输出功率为50 dBm,输出级可以采用GaN或GaAs技术,并具有更高的增益。在SOI Tx增益块之后,可使用SOI数字阶梯衰减器(DSA)进行波束调整。多个收发器意味着有多个PA输出耦合器用于DPD反馈,这些耦合器可以为一个SOI SP4T开关阵列提供能量。随着每个收发器的功率降低,Rx信号链保护电路可以用SOI实现。为了获得低NF性能,砷化镓LNA仍然是可取的,但SOI可用于电平控制Rx增益块和接收器输入的DSA。SOI开关滤波器组可用于收发器输入,以提高选择性和输出性能。SOI表现出高功率处理、高隔离度和出色的线性性能,使其特别适合于开关应用。与RRH的例子不同,mMIMO AAS基站配置将提供许多RFFE SOI机会,这些机会在图9中以绿色显示。

SoI在5G波束赋形器中的机会

波束赋形对于mMIMO天线阵列的高增益和高指向性至关重要。三个主要的波束赋形技术是模拟、数字和混合。数字波束赋形在数字块中处理每个射频流,每条线有一个专用转换块。模拟波束赋形在基带中处理单一的数据流,用衰减器和移相器在天线单元上完成波束赋形。混合波束赋形将天线单元分成块,并为每个块分配一个数字流。在这个方案中,每个单元都有一个模拟移相器和衰减器。如表1所示,每种波束赋形拓扑结构都有优点和缺点。

数字波束赋形提供了最大的灵活性、数据吞吐量和覆盖范围,因为每个射频收发器都有一个同时处理的专用流。这需要大量的处理和与每个天线单元的专用射频连接。模拟波束赋形的复杂性和功耗最低,但它牺牲了灵活性和能力。混合波束赋形是数字波束赋形的灵活性和性能与模拟波束赋形的简单性和较低的功耗之间的妥协。图10比较了数字波束赋形和混合波束赋形,两者都有四条射频线。本例中的混合波束赋形有一个数字数据流,通过四个移相器和八个开关分配给天线单元。这种结构消耗的功率大约是同等数字波束赋形的四分之一。与数字波束赋形方案相比,混合方案可能更小、重量更轻、成本更低。这种方法的缺点是只有一个独立的数据流,而数字波束赋形有四个数据流。

结论

5G mMIMO基站的部署正在加紧进行,运营商和设备制造商正在摆脱早期蜂窝电信时代的传统组件和设计。新的mMIMO架构需要与传统基站截然不同的组件,这就需要无线技术的进化。新基站有更多的射频线路,每条线路需要更低的射频发射功率。随着5G mMIMO系统要求的发展,OEM和RF组件供应商将合作开发和优化性能,以实现更好的功率效率、尺寸、重量和成本。这些努力可能需要更高的集成度,并与SOI技术的优势完美契合,为提高无线基站应用中基于SOI的组件的市场份额创造条件。

图1 传统的微蜂窝基站结构。

图2 32单元mMIMO AAS基站的前端。

图3 基站分类。

图4 传统天线和mMIMO天线的比较。资料来源:Yole Developpement,“5G’s Impact on RF Front-End for Telecom Infrastructure 2021”。

图5 每条链的射频功率与工作频率的关系。

图6 64通道MIMO RRU结构。

图7 前端模块结构。

图8 RRH射频阵容。

图9 32T32R AAS基站射频阵容。资料来源:“Massive MIMO, mmWave and mmWave-Massive MIMO Communications: Performance Assessment with Beamforming Techniques”,Tewelgn Kebede Engda, et al.

图10 数字和混合波束赋形拓扑结构的比较。

表1:波束赋形技术的优势


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