用于 5G 無(wú)線電通信的新型改進(jìn)型多波段操作接收器

東京工業(yè)大學(xué)的研究人員在一項(xiàng)新研究中開(kāi)發(fā)了一種基于諧波選擇技術(shù)的超寬帶接收器，以提高 5G 網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行帶寬。第五代 (5G) 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在在全球范圍內(nèi)使用，頻率超過(guò) 100 Hz。為了跟上這些網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量，需要適當(dāng)?shù)慕邮掌?。在這方面，擬議的技術(shù)可能會(huì)徹底改變下一代通信的世界。

隨著下一代通信網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)，用于部署它們的技術(shù)也必須隨之發(fā)展。第五代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)新無(wú)線電 (5G NR) 頻段不斷擴(kuò)展，以提高信道容量和數(shù)據(jù)速率。5G新空口要實(shí)現(xiàn)跨制式通信和全球應(yīng)用，多頻段兼容必不可少。

手機(jī)信號(hào)增強(qiáng)器的工作用原理是，把室外運(yùn)營(yíng)商基站發(fā)出的信號(hào)，通過(guò)信號(hào)增強(qiáng)器中轉(zhuǎn)到?jīng)]有信號(hào)的地方，信號(hào)放大器通過(guò)它通過(guò)下行把基站的信號(hào)傳輸?shù)绞覂?nèi)，中間部分通過(guò)接收信號(hào)，濾波過(guò)濾信號(hào)，降噪等一系列電路設(shè)計(jì)，接收放大器所需要的信號(hào)，從而達(dá)到信號(hào)的覆蓋，通過(guò)這個(gè)原理，不管是什么頻段的信號(hào)，只要把里面的信道頻段換成所需要放大器的頻段，就可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的增強(qiáng)器，5G頻段是高頻段，達(dá)到3G-5G，信號(hào)放大器同樣可以把它置入到系統(tǒng)內(nèi)，來(lái)中轉(zhuǎn)5G信號(hào)，所以信號(hào)增強(qiáng)器是可以放大5G信號(hào)的。

2018年4月3日，工信部向中國(guó)移動(dòng)發(fā)放FDD運(yùn)營(yíng)牌照，允許中國(guó)移動(dòng)在892-904/937-949MHz頻 段開(kāi)展FDD業(yè)務(wù)。同時(shí)工信部對(duì)中國(guó)移動(dòng)的FDD業(yè)務(wù)的應(yīng)用范圍做了限定，僅限在縣及縣以下區(qū)域開(kāi)展 ， 城市區(qū)域僅開(kāi)展NB-IoT業(yè)務(wù)。

同時(shí)，工信部要求中國(guó)移動(dòng)加快進(jìn)行900MHz頻段的騰退工作，并將騰退904-909/949-954MHz的2×5MHz頻率資源分配至中國(guó)聯(lián)通，用于加大支持中國(guó)聯(lián)通4G網(wǎng)絡(luò)和蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

最近，毫米波 (mmW) 通信被認(rèn)為是管理 5G NR 網(wǎng)絡(luò)中大型設(shè)備之間不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量的有前途的候選者。在過(guò)去幾年中，許多研究表明，相控陣架構(gòu)可提高毫米波頻率下 5G NR 通信的信號(hào)質(zhì)量。

不幸的是，多頻段操作需要多個(gè)芯片，這增加了系統(tǒng)的尺寸和復(fù)雜性。此外，在多頻帶模式下運(yùn)行會(huì)使接收器暴露在不斷變化的電磁環(huán)境中，從而導(dǎo)致串?dāng)_和帶有不需要回聲的雜亂信號(hào)。

為了解決這些問(wèn)題，日本東京工業(yè)大學(xué) (Tokyo Tech) 的一組研究人員現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出一種新穎的“諧波選擇技術(shù)”，用于擴(kuò)展 5G NR 通信的操作帶寬。這項(xiàng)由 Kenichi Okada 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究發(fā)表在IEEE Journal of Solid-State Circuits上。

“與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，我們建議的網(wǎng)絡(luò)以低功耗運(yùn)行。此外，頻率覆蓋范圍使其與所有現(xiàn)有 5G 頻段以及指定為下一個(gè)潛在許可頻段的 60 GHz 兼容。因此，我們的接收器可以利用不斷增長(zhǎng)的 5G 帶寬的關(guān)鍵，”岡田教授說(shuō)。

為了制造所提出的雙通道多波段相控陣接收器，該團(tuán)隊(duì)使用了 65 納米 CMOS 工藝。芯片尺寸經(jīng)測(cè)量?jī)H為 3.2 mm x 1.4 mm，其中包括具有兩個(gè)通道的接收器。

該團(tuán)隊(duì)采用三管齊下的方法來(lái)解決 5G NR 通信問(wèn)題。第一種是使用諧波選擇技術(shù)，使用三相本地振蕩器 (LO) 來(lái)驅(qū)動(dòng)混頻器。該技術(shù)減少了所需的 LO 頻率覆蓋范圍，同時(shí)允許多頻段下變頻。

第二種是使用雙模多頻帶低噪聲放大器 (LNA)。LNA結(jié)構(gòu)不僅提高了功率效率和帶間阻塞的容忍度(減少來(lái)自其他頻段的干擾)，而且在電路性能和芯片面積之間取得了良好的平衡。最后，第三個(gè)插腳是接收器，它利用 Hartley 接收器的架構(gòu)來(lái)改善鏡像抑制。該團(tuán)隊(duì)引入了單級(jí)混合型多相濾波器 (PPF)，用于邊帶選擇和鏡像抑制校準(zhǔn)。

該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，所提出的技術(shù)優(yōu)于其他最先進(jìn)的多波段接收器。諧波選擇技術(shù)支持在 (24.25—71) GHz 之間運(yùn)行，同時(shí)顯示出高于 36 dB 的帶間阻塞抑制。此外，接收器消耗的功率很低(頻率分別為 28 GHz、39 GHz、47.2 GHz 和 60.1 GHz 時(shí)分別為 36 mW、32 mW、51 mW 和 75 mW)。

“通過(guò)將雙模多波段 LNA 與多相濾波器相結(jié)合，該設(shè)備比其他最先進(jìn)的濾波器更好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)帶間阻塞的抑制。這意味著對(duì)于當(dāng)前使用的波段，抑制比在整個(gè)受支持的 (24–71) GHz 操作區(qū)域，50dB 和超過(guò) 36dB。隨著新的 5G頻段的出現(xiàn)，這種低噪聲寬帶接收器將被證明是有用的，”O(jiān)kada 教授總結(jié)道。