5G新空口接入射频与收发器设计考量

### 5G新空口接入射频与收发器设计考量 在5G技术的发展进程中，新空口接入（NR）的射频与收发器设计面临着诸多挑战和机遇。本文将深入探讨数据转换器的品质因数、UE关键组件的功耗考量、天线设计考量以及Sub - 6 GHz收发器和天线设计考量等方面的内容。 #### 1. 数据转换器的品质因数 在量化模数转换器（ADC）的速度、分辨率和功耗之间的权衡时，有两种广泛使用的品质因数（FoM）：Walden FoM和Schreier FoM。 - **Walden FoM**：表达式为$FoM = \frac{P}{2^{2ENOB}/f_s}$ ，它假定功耗$P$与转换速率$f_s$呈线性增长，且每增加一个有效位（ENOB），功耗会翻倍。不过，当采样速度接近技术极限时，这种线性关系会失效。近年来，中高分辨率转换器倾向于遵循每位4倍功耗的趋势，可通过将分母中的$2^{2ENOB}$替换为$2^{2\times2ENOB}$来捕捉这种权衡关系。 - **Schreier FoM**：表达式为$FoM = SNDR(dB) + 10\log(\frac{f_s}{2P})$ ，其原始形式采用数据转换器的动态范围DR（dB），并加上带宽BW与功率比的对数的10倍。动态范围增加6 dB被认为反映了在相同效率下功率增加4倍。该FoM的单位是dB/Joule，其中动态范围用SNDR（以捕捉失真）代替，BW用$f_s/2$代替。 #### 2. UE关键组件的功耗考量 降低功耗是网络实体和设备设计的重要目标，对于设备尤为关键，因为其电源供应有限。NR的新特性会影响UE主要硬件组件的功耗，如天线调谐单元、射频前端、射频集成电路、基带调制解调器和应用处理器。 - **功率放大器（PA）的效率**：PA是模拟前端（AFE）的关键组件之一，其效率通常用功率附加效率（PAE）表示，公式为$PAE = \frac{P_{OUT}-P_{IN}}{P_{DC}}=\frac{P_{OUT}-P_{IN}}{V_{DC}I_{DC}}$ 。影响PA效率的参数包括回退功率、负载线损耗、拓扑结构等。例如，典型负载线的损耗在0.3 - 0.7 dB之间，会使PAE降低7% - 15%；传统线性PA（如A类/AB类/F类）的PAE会随着回退功率的增加而降低。 - **提高PA效率的方法**： - **平均功率跟踪（APT）**：根据输出功率水平在时隙基础上调整PA的供电电压，以降低功耗并保持线性度。但受DC - DC转换器速度限制，若PA持续以最高功率运行，效率无法提高。 - **包络跟踪（ET）**：通过动态调整PA的供电电压，使PA在整个传输周期内保持压缩模式，从而最大化能量效率。OFDM信号的峰均功率比（PAPR）促使ET技术在高PAPR发射机中实现显著节能，4G/5G UE发射机已开发出更多商用ET PA。 - **高电压供电**：可最小化晶体管的膝电压部分，提高PA效率，还能增加负载线，降低相关损耗。但手机标称电压为3.8 V，需要额外的DC - DC转换器来实现更高电压，且DC - DC转换器的效率总是低于100%。 - **功率组合技术**：用于组合小PA的输出以支持大输出功率。组合器的效率会影响整体PA效率，应使用低损耗、高Q值的组件。推挽组合器具有使匹配阻抗翻倍、降低阻抗变换损耗的优势。 - **Doherty放大器**：采用有源负载牵引技术，可在不同射频功率水平下修改PA的射频负载，当功率从峰值回退时，效率不会像传统PA拓扑那样显著下降。但该放大器存在AM - AM和AM - PM失真难以保持恒定的问题，通常需要使用数字预失真（DPD）方法，且性能对负载敏感，常用于基站PA设计。 - **可重构技术**：使PA能够在不同频段和模式下适应不同配置，调整负载线、偏置点等，与宽带设计相比，可提高特定模式下的效率。 - **数字预失真**：可进一步降低功耗，同时提高线性度。 | 5G特性 | 天线调谐单元 | 射频前端 | 射频集成电路 | 基带处理 | 应用处理器 | | --- | --- | --- | --- | --- | --- | | 可扩展带宽 | x | x | x | x