射频器件是无线系统的核心器件之一？
我们知道 5G 已经开始规模化商用，大家的目光开始投向 5G 下一个阶段的关键技术，在这些关键技术中，毫米波成为了人们关注的焦点，这不仅因为其具有高带宽、低时延等优势，更因为其能在更大范围内释放 5G 关键潜能，实现业务体验的革命性提升和千行百业的数字化转型，真正实现 5G 改变生活、改变社会 。
【射频器件是无线系统的核心器件之一？】 以下我们将分三个部分介绍给大家
毫米波市场解读（包括全球及中国）
毫米波设计考量 （包括系统设计、手机设计以及射频器件）
毫米波的技术演进及发展前景
毫米波市场解读
全球部署情况：120+运营商投资毫米波
5G 的速率和容量比 4G 有 10 倍以上的提升 。为了满足 5G 的需求，扩展工作带宽是最简单、最高效的方法 。但是，大家都知道，6GHz 以下的频谱已经非常紧张，很难找到适合 5G 工作大带宽的工作频谱 。在国际上除了中国之外，很少有国家能在 6GHz 以下为运营商分配在 100M 以上连续的频谱 。在这样的背景下，毫米波应运而生，毫米波以更高的频段，有更大的带宽，备受关注 。
2019 年世界无线电大会上，毫米波取得了突破性的进展，这次大会完成了 17.25GHz 毫米波的划分，包括 24.25-27.5GHz，以及 37-37.5GHz 全球 MT 的划分；还包含 45.5-47GHz，以及 66-71GHz 区域划分 。这些频谱的划分给了产业界清晰的指导，极大地鼓舞了产业界对毫米波的信心，使得毫米波的发展又往前迈进一大步 。
毫米波在全球范围内也取得了比较可喜的商业化的进展，根据 2020 年 8 月份的数据，目前已经有 22 家运营商在全球范围内部署了毫米波 5G 系统，走在前面的包括美国、日本和韩国 。此外，超过 120 家运营商正在积极投资毫米波 。
美国除了在 24GHz 与 28GHz 部署商业网络之外，也在考虑 26GHz 商业化的情况，并且也在积极推进 37GHz 和 39GHz 的商业化准备工作，为毫米波的后续发展提供了充足的资源 。除美国外，日本每个运营商 400M，采用 27.4-29.5GHz 。韩国是大带宽的应用，每个运营商分配了 800M 的频率，包括 SK、KT 欧盟是分阶段的过程，优先采用 24.25-27.5G 的频段，频率分配上比较小 。意大利有 5 个运营商分配毫米波毫米波频谱，每个运营商分配了 200M 。德国包括英国也在积极推进毫米波的部署计划 。
中国毫米波发展：全产业链发力，渐入佳境
总体来看，在毫米波频率的分配和使用上，欧美国家比我们国家要先行一步，不过 5G 属于新基建重要一环，特别是今年新基建战略政策发布之后，三个运营商在 5G 建设的节奏上明显加快了步伐 。
目前，在工信部的统一指导下，运营商也在积极推动 5G 毫米波的发展 。例如，国内三大运营商和产业界正在一起进行毫米波的外场测试 。中国移动研究院无线和终端技术研究所副所长李男也在此次研讨会的演讲中分享了测试进展，并表示：“测试的结果跟理论的分析数值还是比较吻合的，有效提升了行业对毫米波的信心 。”
在研讨会中，中国联通研究院无线技术研究部副主任李福昌指出，随着 5G 的发展，以及行业应用拓展，通信频段必然向毫米波方向发展 。他还分享了中国联通的 5G 毫米波发展规划，中国联通正在通过开展冬奥场景的毫米波试点验证，正带动国内毫米波产业链加速发展；预计在 2021 年 6 月能够完成冬奥场馆设备部署 。中国联通将综合运用毫米波等多种技术手段，打造超大带宽，无线场馆，满足冬奥会的连接需求，包括为热点区域提供综合解决方案，解决类似于 4K/8K、高清转播等各种新业务需求 。
文章插图
中国移动李男还表示，我们认为在毫米波会在 2022 年具备规模商用的能力，SA 的架构非常成熟了，而且已经经过商用的检验了，我们希望那个时候可以以 SA 为基础部署毫米波网络，这样对运营商来说是比较好的也是比较简单的选择 。
从产业链来看，主流的设备厂商都有毫米波的产品，而且基本上都支持 800M 的带宽 。
芯片厂商方面，高通是发力最早的，已有多代商用毫米波天线模组产品，能够支持毫米波全频段 。其他厂商发布的海思 Balong 5000、三星 Exynos 5123、联发科 Helio M80 等系列芯片也能够支持毫米波，正在工程机调试或出样阶段，很快能够投入市场，壮大毫米波阵营 。
国内终端方面，中兴、一加、移远等厂商分别推出了支持毫米波能力的移动热点、手机、模组等产品，一加 8 毫米波版也在今年 4 月于北美市场上市 。
总体来说，在产业链各个环节的努力下，国内毫米波发展正渐入佳境，蓄力等待突破和爆发 。
毫米波设计考虑
毫米波技术：优势及不足
业界共识，随着 5G 的发展，以及行业应用拓展，通信频段必然向毫米波方向发展 。毫米波本身而言，最大的优势就是频段资源非常丰富，毫米波的带宽能达到 400M 甚至 800M，无线的传输速度达到 10Gbps 。毫米波由于天线小，因此空间分布能力非常强 。带宽大，3.5G 的 4 倍，由此产生的空口时延小，为高可靠、低时延业务的开展提供了天然的优势 。
总体来看，毫米波本身有优势还有一些不足，例如路损大，覆盖比较差，穿透损耗大等 。毫米波在传播过程中，容易受到遮挡，很难穿透 。最明显的可以看到在混凝土的场景里面，穿透损耗达到 109db 。
毫米波本身频率比较高，器件的尺寸非常小，因此可以通过更大规模的部署天线在一定程度上减少前面所说的问题 。特别是天线做的比较多，因此波束可以做的比较窄，通过窄波束，一定程度上可以弥补由于频率过高导致的传播损耗和穿透损耗，这是毫米波本身的特点 。
系统设计考虑：实例讲解
因为毫米波工作频段非常高，传播损耗和穿透损耗非常高，大规模天线技术是必选技术，针对毫米波的特性，需要将数字和模拟相结合起来混合复型，针对毫米波多天线技术做相关的系统设计，包括大带宽，载波聚合可以支持 800GHz 甚至更高的带宽，为了满足部署需求，最大间隔可以支持到 120KHz，为了降低毫米波工作频段高导致的相对噪声高的困难，3GPP 也制定了 PTR 参考信号，可以利用它去校正毫米波噪声 。
下面列了一个示意图，包括毫米波基站在最初的时候去下发同步和广播信号，终端去检索 SSB，并且发送相应的最低记录，网络设备根据发送的上线最低记录去判断使用的波束，发送最低记录相应，并且根据终端对波束测量的结果，不断调整控制信道和应用信道的波束，从而基本实现毫米波工作的流程 。
当毫米波传播损耗比低频高 20-30GHz，为了保证覆盖范围，要大幅度增加天线的数目，可能到 10 倍或者 100 倍的量级 。由于半导体本身原因，毫米波频段器件单路很难支撑较大的功率 。同时，毫米波也会通过波束扫描的方式实现用户的接入，为了保证波束配置的灵活性和波束的分辨率，需要一定数目的具有调控能力的通道 。由于毫米波工作带宽达到 400GHz 甚至更大，如果采用传统 6GHz 架构，数模转化 ADDA 还有 IFT，容量要求会非常高，会造成毫米波成本、体积和功耗提升，就会限制产业化的发展 。
因此，业界也针对毫米波特性提出来适合毫米波的数模混合的方案 。通过在模拟端加入调幅和调相器件，就可以实现对于模拟预算数字叠加混合复型，经过测试几乎可以达到纯数字复型相类似的性能，这样可以使得毫米波的网络设备成本和复杂度大幅度下降，对未来毫米波产业化起到非常好的促进作用 。
终端架构的变化，与 6GHz 低频相比，毫米波频率上升到 24GHz 以上，终端射频的器件包括天线尺寸都会大幅下降，这样就有机会能将射频前端包括滤波器等元件，跟天线集成封装到一个模组里面，封装天线的 AIP 技术也成了毫米波终端技术的主流 。
目前业界普遍认为毫米波的工作频率较高，终端实现能力的问题是需要有中频的模块去实现变频的，这样可以看出来这两点是毫米波终端的架构相对于 6GHz 以下的终端是最大的区别 。
应用于毫米波射频器件的技术与现状：第三代半导体
GaN-on-Si 是一种材料，国内俗称第三代半导体，或者它是第三代半导体的典型材料 。
在本次在线技术分享会上，西安电子科技大学刘志宏教授为大家分享了 GaN 用于毫米波系统里面关键的射频器件的技术及现状 。射频芯片是无线系统的核心器件之一 。从成本角度、功能角度来讲也是非常重要的一部分 。
上面这个图是射频器件应用流程的图，关于射频器件的材料经历了三代，目前，氮化镓逐渐成为市场的主流 。氮化镓材料有很多优点，各个参数方面都表现出很强的优势 。氮化镓是半导体材料，目前在 LED，发光方面有很广泛的用处，在射频器件角度，氮化镓材料的器件主要用在硅的衬底上其优点是热导力比较好，质量比较高，缺点是成本比较高，尺寸也比较小 。
氮化镓技术的挑战有几点，一个是热阻比较高，对于大功率或者特别大功率的功放，氮化镓散热性比较差 。另一点是射频损耗会高一点，射频损耗在频率比较低的时候影响没有那么大，但在频率比较高的时候比较明显 。
基于氮化镓做的商品目前并不是很多，市场上主要是碳化硅氮化镓，目前只有两三家公司有现成的商品，一个是美国的 Macom，欧洲的 Ommic 。另外正在开发一些公司就比较多了，国外有英特尔、TSMC 传统做硅的公司都在开发氮化镓的技术，国内的主要代表有三安、英诺赛科 。
把毫米波放到手机里：挑战与解法
业界消息，近期苹果很快会发布支持毫米波的手机了 。前文介绍了，国内有一家企业比苹果还早，就做出了毫米波的手机，就是一加手机 。在研讨会上，一加手机高级无线工程师钟永卫先生系统性地介绍了一加是如何把毫米波装进智能终端 。
如果把毫米波放到手机里面，主要会有以下三个挑战 。第一个是路损比较高，覆盖范围受限 。特别是手机采用传统的天线形式，覆盖范围应该说会小于 3G 的 1/8 以上，这也是大问题，连接性会受到很大的伤害 。第二个是如果手机上采用传统的天线和芯片分离，会导致很低的效率以及发热会非常严重，也会导致手机生产成本的提高和制造工艺难度的加大 。第三个是毫米波很容易受物体遮挡，特别是对手机来讲，不仅有建筑，还要考虑手或者人体的遮挡 。
接下来看一下一加的解决方案是怎么样的，针对高路损和插损，商用平台是以 AIP+中频线实现的 。
首先，如果采用 AIP 的形式，将单独的移动天线更换成定向的天线可以减少一部分路损 。
其次，毫米波想部署在手机上，只能非常贴近于基站，部署会受到很大限制 。为了灵活把模组 AIP 部署到手机上面来，就需要进行了二次变频，把毫米波转到中频，需要一条低损耗的中频的传输线，这样毫米波能比较灵活的部署在手机终端上 。
针对定向跟容易受到物体阻挡这一问题解决方案是上多个模组+波束扫描 / 跟踪 。在手机上布局多个模组，能够保证在手机被覆盖的情况下，至少有一颗模组还可以能工作 。这个布局是针对用户的习惯，单手握、双手握来优化的 。
开发的过程中，毫米波手机仿真会变得非常重要，对于传统频段的天线来讲，应该说业内主流的基本上还是调试为主，毫米波是一定要从仿真开始，并且一直贯穿了整个研发的过程 。在 Sub6 频段，试验还是占主导地位 。毫米波频段，仿真的重要性非常高，不仅是堆叠天线的时候要用到仿真，模组放到手机里面，会有太多因素影响性能，像结构、材料、表面工艺都会对它有很大的影响，只有用仿真才能比较快速的跟上开发的节奏 。
不仅在设计阶段，哪怕在认证阶段，仿真也会非常重要 。以 FCC 认证为例，如果做 PD，也就是毫米波的电磁辐射是否超标认证，如果以试验为主，大概有 100 个，要测试三个面，每个面测两个小时，时间和成本都会是天文数字 。现在采用的方法，FCC 认可的方法以仿真为主，第一步是证明仿真的 PD 是准确的，后面 PD 超不超标，分布式怎么样，全部以仿真代替 。
毫米波技术演进及发展前景
毫米波移动化：技术业经验证，不断演进
一加手机正是采用了高通的毫米波解决方案，在研讨会上，负责技术研发工作的高通工程技术高级总监骆涛博士，简要介绍了高通联合业界在 5G 毫米波移动化上所做的努力、取得的成果 。
通过先进的波束成形技术，高通能够实现超过 150 米的毫米波传输，这项技术不仅通过仿真实验得到了验证，而且在外场测试中也得到了验证，意味着毫米波能够实现与现有热点和小基站的共址 。同样，如果有相关基础设施设备，也可以实现与 Wi-Fi 共址 。
另外一个关于毫米波的误区是它只能够实现视距传输和固定传输，而事实是 5G NR 能够提供解决方案 。5G 设计中，高通创新技术支持物理层信号能够支持快速调整和切换附近的波束，这样就可以很好地利用多路径和反射 。如果一个传输路径被手部或身体其它部位遮挡，通过激活手机上的另一个模块就可以快速找到一条新的传输路径 。高通还将这种转换从基站内扩展到不同基站之间，这意味着毫米波传输在不同基站之间的切换也能够快速实现 。这是毫米波的一个关键解决方案，能够支持信道快速切换 。
关于支持毫米波的终端尺寸，很多人也存在误解 。高通率先商用的毫米波模组，在非常紧凑的尺寸中集成了天线、射频前端、收发器 。一部手机可以采用多个这样的毫米波模组，不仅满足智能手机紧凑纤薄的设计需求，同时满足功耗需求并提供最大化的性能 。比如，一加推出的毫米波手机将厚度做到了 8 毫米 。可以说，高通已经克服了毫米波在技术和商业化方面的诸多障碍，不仅仅提供调制解调器，还提供端到端的系统设计，在很多关键技术方面，例如毫米波，都建立了先进的原型系统，对其实际性能进行验证 。
针对通信极端情况，高通还在美国圣迭戈市进行了 5G 毫米波 OTA 外场测试的场景 。该测试基于 28GHz 频段 800MHz 带宽的毫米波网络进行，网络设置包括一个 gNodeB 基站，三个射频拉远（RRH）和两个中继器 。为了验证毫米波调制解调器的性能，实验人员将手机放置于极具挑战性的环境中，例如人流量大且有人群阻挡的场景下测试 。另一个极端测试环境是，将手机固定在无人机上，遥控无人机在园区内穿梭飞行 。得益于先进的波束管理算法，即使在以上种种极具挑战性的环境下，手机仍然能够保持高速网络连接 。
骆涛博士还表示，Ookla 基于其旗下 Speedtest 应用的大量用户实测数据显示，搭载骁龙移动平台的 5G 毫米波终端，峰值速率超过 2Gbps，更重要的是在非常重要的平均下载速率这一 KPI 上，毫米波超过 900Mbps，而 Sub-6GHz 仅为 225Mbps 。
爱立信（中国）高级标准化经理王卫也做了相关数据测试分享：第一个，爱立信在印尼做的，主要体现毫米波的速度，下载速度可以达到 400M 的时候，5Gbps 。第二个，在东京测的实际的测试数据，测试一个街道的覆盖，有一个车，做不停的高清视频的下载 。同时这个车在街道上做大概 60 公里的运动，能够在大概 4、5 个站能覆盖 4 个街区，能保持整个下载速度流畅，这体现了毫米波在城市里面的应用 。第三个，爱立信在研发中心做了比较深入的覆盖，现在在室内可以做到 40 个 dbmEIRP 基站的情况下，覆盖 200 多平米的办公区域，做到无死角，包括在口袋、办公桌下面，都可以做到手机无死角的状态 。
事实上，随着 5G 的演进，毫米波还将获得更强的能力，支持更多应用场景 。5G Rel-17 目前仅处于初始阶段，Rel-17 将引入低复杂度、高可靠性的 5G NR 产品，将助力毫米波扩展至全新的终端类型，带来卓越速度和无限容量的同时支持增强体验 。Rel-17 将赋能更多全新服务，充分利用全新频谱资源 。可以期待，在毫米波规模化商用后，5G 的全部能力才将得到充分释放 。
发展前景：1040 亿经济价值
前文已经提到，中国联通正积极面向冬奥会毫米波部署做准备 。不过从此次研讨会的主办方 GSMA 的相关预测来看，冬奥会只是毫米波在中国大展宏图的开胃菜，更多应用场景和垂直行业将极大地受益于毫米波的应用，毫米波将在中国创造极大经济价值 。
根据 GSMA 的研究报告对毫米波在 5G 网络中的价值的预测，预计到 2034 年，5G 毫米波将创造 5650 亿美元的 GDP，并产生 1520 亿美元的税收，占到 5G 创造总价值的 25% 。
中国则是毫米波的主战场之一 。预计到 2034 年，在中国使用毫米波频段所带来的经济收益将产达约 1040 亿美元 。其中，垂直行业领域中的制造业和水电等公用事业占贡献总数的 62%，专业服务和金融服务占 12%，信息通信和贸易占 10% 。
责任编辑:pj
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