《电子技术应用》

高通怎样炼成5G毫米波天线模组的“小身材 大智慧”

2018/7/31 6:00:00

当行业发展的脚步向5G迈进时,毫米波就成为了热门词汇。在各国运营商和设备厂商的推动下,26GHz和39GHz毫米波频段首先被纳入了3GPP标准。高频段的毫米波带来的大带宽,为5G需求的高速率提供了想象空间,然而毫米波在大气中传播衰弱严重的弱点也成为其商用道路上的致命伤。不过,这一现状有望改观,近日高通在毫米波的攻坚中率先破题。

7月23日,高通宣布推出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。高通QTM052毫米波天线模组系列和高通QPM56xx 6GHz以下射频模组系列可与高通骁龙?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。上述两个系列的产品正在向用户出样。配置QTM052毫米波天线模组的终端将最早于2019年上半年推向市场。

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高通 QTM052天线模组及高通骁龙X50 5G调制解调器

无论哪一代通信技术,频谱都是最先要解决的问题。5G到来后,2G/3G/4G频谱还需重耕,必然要引入新的频谱资源。由于面临诸多技术和设计挑战,5G之前毫米波均未被应用于移动通信中。甚至移动行业中很多人都认为毫米波在移动终端和网络中的应用是不切实际且不可实现的。而高通QTM052毫米波天线模组的推出会不会成为推倒多米诺骨牌的关键一步呢?

高通毫米波天线模组如何炼就?

想要在毫米波频段实现通信到底有多难,我们可以先来看看毫米波的特性。首先,毫米波频谱的传输距离有限,毫米波在全向发射时,能量发散比较快,容易衰弱,无法传播到很远;其次,毫米波频谱容易被楼宇、人体等阻挡、反射和折射;第三,毫米波受限于很多空间因素,其中一个主要因素就是水分子,毫米波频谱在下雨时、穿过树叶、穿过人体时,它们衰减非常快。相对于无线通信对语音、数据传输的高要求,上述物理特性使得毫米波即便再有魅力也很难被应用到实际通信中。

而高通此次推出的QTM052毫米波天线模组,可与骁龙X50 5G调制解调器协同工作并形成完整系统,以应对毫米波带来的巨大挑战。作为完整系统,其可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。

波束成形是不可或缺的“幕后功臣”,高通的毫米波天线模组不再使用全向发射,而是选择定向发射。把能量聚集在一个波束,从而使得能量能够传输得更远,以提高覆盖。高通利用多个天线形成相控天线阵列,天线之间的信号经过互相干涉影响,能把信号能量集中在一个方向发射出去。

“天线的尺寸和波长是呈正比关系的,毫米波的频率高,波长短,因而可以显著降低天线尺寸。高通充分利用了毫米波这一特性,在手机上设计多个天线并形成阵列,让信号互相影响,从而形成波束。模组化就是基于这个思路衍生出来的。” 高通产品市场高级总监沈磊表示,“如果每个OEM厂商都自己开发和优化天线设计方案,要想做到不同天线之间的协同工作,对于他们的难度系数会非常高。所以一个比较简单的办法就是高通把天线以及射频前端包括收发器和放大器等都整合在一个模组里面,在这个模组内把天线预先整合好,提前做好天线的调整工作,让它们可以相互协同,从而很容易形成波束。”

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形成波束后又出现了其它问题,如果只有一个波束,波束的方向又不变,一旦手机的位置有变动,信号就无法传到基站。因此,波束必须要通过波束导向技术不断调整,指向传输对象的方向。同时,手机持有者的位置不断移动,基站相对于人的位置也在变,这就需要波束追踪技术来时刻追踪天线移动的位置,并让波束做出相应的调整。

因此,我们需要毫米波天线产品既能支持形成波束,又能控制波束的方向,还能追踪接收方位置的变化,让波束一直保持在最佳的传输位置上。这更要求整个射频链路上从调制解调器到收发器、放大器再到天线的所有器件都能更智能地协同工作。基于此次推出的QTM052天线模组,高通在连接技术上的整体领先优势,正是应对这一挑战的最佳解决方案。

助力OEM厂商赢在5G

随着2018年6月中旬5G独立组网标准的正式发布,整个通信行业进入到全面向5G冲刺的阶段,按照我国2019年5G试商用以及2020年5G正式商用的规划,留给终端厂商开发5G产品的时间不可谓不紧张,如果终端厂商还有5G“出海”计划,毫米波频段无疑是不能规避的问题。而高通毫米波天线模组的推出让这一愿景成为可能。

随着手机内部的天线空间不断受到电路板、屏幕、摄像头、电池等不同组件的更多挤压,留给天线的空间就越来越有限,天线的性能也受到影响。在有限空间内提供良好的天线性能,这本来就很困难。而金属材质的手机外壳、使用过程中用户手部或头部对视频信号的干扰、用户在使用手机中的不断移动,这些都为手机天线带来了更大的挑战。

“所以,高通除了实现天线阵列外,还通过模组的方式把天线的尺寸降下来,让一个调制解调器可以配备多个天线模组。高通此次推出的5G毫米波天线模组尺寸非常小,可以在空间和成本允许的情况下,在手机的4个边立面上配备4个毫米波天线模组,以配合5G调制解调器芯片。这些毫米波天线模组都会连接到骁龙X50 5G调制解调器上,并集成从调制解调器往后的所有射频链路芯片上的功能,包括收发器、射频前端、天线等。通过将多个小面积的天线模组放到空间极度受限的手机终端里面,可以解决上面提到的很多挑战。”沈磊说。

高通 QTM052天线模组

“小身材 大智慧”QTM052毫米波天线模组的推出源于高通对OEM厂商需求的深刻理解,手机设计的薄厚、手机材质、手机设计的流程以及研发生产的工序,都是高通开发产品时必须要考虑的因素。根据OEM厂商的要求,高通的解决方案可以帮助降低他们的研发难度,并通过模组化产品,缩短终端厂商的产品上市时间。这也是高通在业界具有的独特优势。

当然,到底怎样使用QTM052毫米波天线模组,主动权还是在终端厂商手中。高通会给厂商提供在各种不同应用场景下形成的实测数据,由他们自己进行评估:是追求性能,还是追求尺寸或价格,决定权在OEM厂商手中。

推动5G商用更进一步

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,而5G新空口更加广泛的覆盖将通过6GHz以下频段实现。高通在此次发布毫米波天线模组的同时,也发布了QPM56xx射频模组系列产品(包括QPM5650、QPM5651、QDM5650和QDM5652)。QPM56xx射频模组可帮助搭载骁龙X50 5G调制解调器的智能手机在6GHz以下频段支持5G新空口。

不同国家和地区对于5G频谱有不同的规划。2017年11月,工业和信息化部发布了IMT-2020(5G)的3300-3400 MHz,3400-3600 MHz和4800-5000 MHz频段的频率规划,其中3300-3400 MHz频段用于5G业务的室内使用。 2018年2月已开始研发试验第三阶段新技术验证测试。这些测试中的许多试验使用C波段频谱(主要在3500 MHz左右),偶尔在26 GHz频段进行测试。

日本MIC已经宣布官方5G频段为3700 MHz、4500 MHz和28 GHz。目前,美国运营商5G试验限于28 GHz、39 GHz和15 GHz频段,其中也有在2.5 GHz频谱进行测试。欧洲的5G频段主要集中在3400-3800 MHz频谱范围内。韩国的KT和SK Telecom都在计划使用28 GHz频段作为5G业务试用。

为此,无论是6GHz以下还是毫米波频段,高通都需要进行大量的5G真实网络模拟实验。高通在旧金山的毫米波网络模拟中,实现超过65%室外覆盖,超过50%用户速率高于1Gbps,用户浏览下载速率从71Mbps提升至1.4Gbps(近20倍增益)。在法兰克福6GHz以下频段的网络模拟中,实现了下行容量提升5倍,中值突发速率提升6.3倍&小区边缘突发速率提升7.9倍,用户浏览下载速率从56Mbps提升至490Mbps(近9倍增益)。

“6GHz以下的射频链路架构和毫米波的射频链路架构是完全不同的,所以高通要分开两套来做。第一批5G手机可能更多基于区域的考虑,比如说手机产品投放中国,那就用6GHz以下的射频产品来做,如果是投放到北美就用毫米波的产品来做。由于5G还处于发展初期,目前还没有客户向高通提出要开发更复杂5G产品的需求。”沈磊说。

随着5G商用的不断临近,国内业界对5G毫米波的发展也十分关注。在本月中旬举行的第三届5G和未来网络战略研讨会上,FuTURE推进委员会5G微波毫米波技术特别工作组发布了5G毫米波频谱规划建议白皮书,对国际国内5G毫米波共存研究进展进行梳理总结,旨在为国内5G毫米波频率规划工作提供必要的技术支撑。

中国移动也曾指出,5G强大的能力和丰富的连接场景势必会激发各行各业的应用,需要高、中、低频协同工作,在不同场景下不断创造更佳的用户体验。为此,尽早推动毫米波产业发展和成熟对于5G的成功商用非常重要。今天,高通已经在毫米波上迈出了第一步,这一步也将成为推动5G真正商用的关键一步。


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