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射频器件是短板:5G要热闹,高频通信这道坎必须迈

发布时间:2018-9-6


伴随着首个完整的3GPP R15标准终结,5G正从梦想照进现实。

无疑,5G的顺利商用离不开标准、试验和频谱的稳步推进,而我国正走在全球第一阵列。

在标准制定过程中,我国已掌握话语权,以华为、中国移动在内的中国企业牵头控制信道编码、5G核心网等多项重要标准。与此同时,据不完全统计,在3GPP标准组织中,中国人担任关键职位30余个,投票权超过23%,文稿数量占总量30%,牵头项目占总数40%。

在试验进展方面,在IMT-2020(5G)推进组的组织下,我国5G技术研发试验正稳步推进,并在北京怀柔建设成规模最大的试验外场。

在频谱方面,我国已经率先为5G划分中低频频谱,并公开征集高频(毫米波)使用规划。

实际上,高频频谱由于频谱资源丰富已被业界誉为5G“黑马”。同时,目前国外主流运营商已经基于高频段的5G网络进行试验,但我国高频通信发展却仍需跨过几道坎。

我国高频通信发展仍然面临诸多挑战,诸如高频器件核心技术更多掌握在国外公司、高频器件成本偏高、高频信道模型特性不完善、高频设备产业链不成熟等问题。

高频成5G“黑马”

一般来说,通信业将3GHz以下频段称为低频,6GHz以上频段称为高频。

由于低频覆盖广、信号强等优势,4G之前的移动通信时代,我国一直采用低频通信,频谱资源横跨800MHz-900MHz和1.8GHz-2.4GHz。不过,这在降低建网难度的同时也造成低频资源紧缺,难以满足5G建网需求。

于是,高频通信需求日益凸显。但不容忽视的是,高频自身也存在着较大缺陷,即衰减较大,且绕射能力较弱。因此,将5G部署在毫米波频段下必须克服其穿透力差、衰减大的缺点,对5G通信设备提出更加严苛的要求。

“高频器件不成熟是我国发展高频通信急需解决的问题。”中国移动通信研究院专家撰文指出同样的挑战。

射频器件是发力点

那么,诸多专家直指的高频器件难题具体有什么呢?北京邮电大学教授张平指出,高频通信核心器件主要是射频。在射频前端,滤波器、功放等芯片要解决小型化和功耗问题;而在射频后端,数模转换(AD/DC)是最大的问题。

“目前,小型化和高精度数模转换芯片几乎全部依赖进口。”他指出。

据悉,射频处理单元主要分为四大模块,即中频模块、收发机模块、功放和滤波模块。数字中频模块用于光传输的调制解调、数字上下变频、模数转换等,收发机模块完成中频信号到射频信号的变换,再经过功放和滤波模块,将射频信号通过天线口发射出去。

其中,滤波器约占整体成本50%,是射频的重要组成部分。但是,在滤波器方面,主要供货厂商为美国企业Avago、Qorvo、Skyworks以及日本企业TDK、村田、太阳诱电,我国必须完全依靠进口。

模数转换器,简单说就是将模拟信号转换为数字信号,而这些技术同样多掌握在美国、日本、德国等国家手中。张平表示,中国A/D芯片的设计水平和生产工艺与国际巨头相比仍存较大差距,还无法生产出可替代产品,基本完全依赖进口。在低频通信时代,我国未完成射频芯片的突破,到了高频通信时代,挑战难度更上一层楼。

“高频通信自身损耗比较大,再加上5G大规模多天线(Massive MIMO)技术的应用,对射频芯片功耗和小型化要求更高,从而对通信设备的材料要求更高。”张平表示。

可以看到,高频通信的射频是一个普遍性难题。全球领先的射频相关企业已经展开了5G高频通信所需的射频芯片研发。目前,博通在2016年推出了主要针对60GHz频段WiFi标准(802.11.ad)的毫米波收发机芯片BCM20138,并积极推出满足移动网络需求的高频射频器件。

非一日之功,无线射频是长跑

“我国想要在高频通信的射频领域取得突破,还有很多工作要做。”张平指出。

实际上,任何技术的实现都并非一日之功,而是需要相当长时间的技术积累。

“国外在某些技术上突出实际上是几百年的积累,可以说是几代人的传承。比如数模转换,虽然是个小器件,但是却要求对算法、ADC自动分离控制、器件精度掌握纯熟。我国技术积累时间短,要想追上国外先进技术,真的需要工匠精神,踏踏实实地深耕技术,打破技术壁垒。”张平表示。

目前,对集成度要求不高的基站射频器件上,我国已经有部分厂商有能力提供产品。同时,我国也有一些滤波器研究公司进行持续投入。

目前,5G首版完整的端到端标准(3GPP R15)已经冻结,5G产业正在走向加速期。虽然诸如数模转换器、滤波器此类器件单价不高,但在未来5G时代,随着基站建设数量的增多,其产品需求量将很大。

赛迪智库无线电管理研究所彭健提出两点建议。

首先,面向5G高频射频器件的研发,我国要尽早划分频谱,这样有利于产业链各方协同,从材料选择、芯片设计到封装尽早协同,有利于高频器件开发。

其次,要加强开放合作,吸取国外成功的技术经验,例如,美国在2016年就率先为5G划分高频频谱,提早布局高频通信,一些先进技术要借鉴。