5G時代的射頻革命具有毫米波設計能力的射頻工程師機會來了

2017-05-03 by:CAE仿真在線來源:互聯網

根據通信原理,無線通信的最大信號帶寬大約是載波頻率的5%左右,因此載波頻率越高,可實現的信號帶寬也越大。更快網絡速度,更大的網絡容量是5G的特點,因此5G會使用毫米波通信。

國際電信聯盟(ITU)與3GPP已共同規劃進行5G標準的兩階段研究。第一階段研究將著重于40GHz以下的頻率,以因應較急迫的商業需求部份,完成時間訂為2018年9月。第二階段則預計從2018年開始,于2019年12月完成,目標是達成IMT2020所列的KPI,并著重于高達100GHz的頻率。為了統一全球的毫米波頻率標準,ITU在近期的世界無線電通信大會(WRC)結束后,公布了24GHz到86GHz之間的全球可用頻率的建議列表:

24.25–27.5GHz ,31.8–33.4GHz ,37–40.5GHz ,40.5–42.5GHz ,45.5–50.2GHz ,50.4–52.6GHz,66–76GHz ,81–86GHz

當ITU、3GPP與其他標準組織決定以2020年作為定義5G標準的期限時,手機電信業者正加緊腳步推出5G服務。美國的Verizon與AT&T致力于在2017年推出5G的初始版本。韓國規劃在2018年奧運推出5G試行版,日本則預計在2020年的東京奧運展示5G技術。有了這些不同單位訂定各自的目標,適用于5G的頻率選項也逐漸浮上臺面:28GHz、39GHz與73GHz。這三種頻率的毫米波大氣吸收率都通較低。

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圖 1. 研究人員需要采用多種不同的支持技術、設備和方法來實現目前預想的六種 5G 技術特性。

雖然毫米的大氣吸收損耗有低損窗口,但是無線信號在大氣中的傳輸損耗IL=32.44+20log(d)+20log(F),對于毫米波信號而言,信號的自由空間衰減是很大的,比如20GHz的信號每百米的自由空間損耗為98.5db。并且毫米波的粒子特性明顯,繞射能力很弱,在信道途中若有遮擋,信號將被阻攔。因此,毫米波在空氣中衰減非常大這一特點也注定了毫米波技術不太適合使用在室外手機終端和基站距離很遠的場合。各大廠商對5G頻段使用的規劃是在戶外開闊地帶使用較傳統的6GHz以下頻段以保證信號覆蓋率,而在室內則使用微型基站加上毫米波技術實現超高速數據傳輸。

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圖 2. 5G 候選波形覆蓋多種可能實施的方法

5G時代的到來,也是毫米波時代的到來。在5G白皮書公布之前,毫米波應用于導彈制導、軍事雷達以及射電天文學等領域。在我國只有少數的軍工或者外企才有這個平臺去觸碰毫米波領域。5G的發展,毫米波應用由軍用轉向民用,通信行業會迎來新一輪的洗牌,射頻行業也會出現極大的挑戰和機遇。對于現在大部分的射頻工程師來說,他們所接觸到的產品頻率都在6GHz以下,屬于微波范疇,微波和毫米波同是無線通信,但在設計理念、生產工藝上差別是極大的。

國內的毫米波從業人員需要克服以下幾個困難:

1)技術瓶頸。目前從事毫米波領域的人才多集中在軍方和國外廠商手里,技術封鎖、器件禁運、甚至連一份Datasheet都找不到。而國內在毫米波領域的基礎研究還非常薄弱。

2)實驗環境搭建困難。毫米波頻率對應的信號源、頻譜儀和網絡分析儀等儀表的價格都在百萬以上。較少數的廠家有能力搭建毫米波的測試平臺。

3)毫米波產品需要非常高的可靠性設計與驗證過程。需要從系統、材料、軟硬件、結構、測試驗證、生產工藝、一致性等多方面考慮,遠高于之前的通信類產品。

5G來了,具有毫米波設計能力的射頻工程師是非常稀缺的,機遇和困難并存,RF從業人員在5G時代將打出漂亮一仗。

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