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射频器件成最大掣肘:5G那么热闹,高频通信这道坎该怎么迈?
通信产业网|2018-07-05 08:19:04
作者:王欣 逄丹来源:通信产业网

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【通信产业网讯】(记者 王欣 逄丹)自动驾驶、远程医疗、智能工厂、VR/AR……一大波改变我们工作和生活方式的应用,伴随着首个完整的3GPP R15标准终结,正照进现实。

一切得益于5G网络的极低时延、超高速率和更广连接三大特性。而工作在高频之下的5G网络在这些应用场景下更是游刃有余。

这是因为,高频移动通信工作在6GHz以上频段,可用带宽大,例如28GHz毫米波频段的可用频谱带宽可达1GHz,能够数十倍提升网络速率,从而满足这些对速率有着极高要求的应用。

目前,国外主流运营商已经基于高频段的5G网络进行试验,验证各种应用场景的可能性。反观国内,由于高频核心技术和核心器件多被国外掌握,高频通信的发展速度要落后于中低频通信。

“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。” 罗德与施瓦茨公司产品经理马志刚向《通信产业报》(网)记者表示。

高频通信是短板

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。

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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了宝贵的低频资源所剩无几,仅留的几十兆3.5GHz频谱已无法满足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的缺陷,

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。

射频器件依赖进口

那么,诸多专家直指的高频器件难题具体有什么呢?

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北京邮电大学教授张平在接受《通信产业报》(网)记者专访时指出,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。

数模转换器,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。张平向记者表示,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。

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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,例如武汉凡谷、大富科技等。同时,我国也有一些滤波器研究公司进行持续投入,诸如麦捷科技、长盈精密等。

在今年的巴塞展上,武汉凡谷展示了针对5G Massive MIMO的小型化介质滤波器产品,还发布了应用于不同场景的全新RF技术解决方案,实现更小体积、更低成本、更优性能。

目前,5G首版完整的端到端标准(3GPP R15)标准已经冻结,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在接受《通信产业报》(网)采访时,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。

记者手札

“日积月累”是最快捷径

高频通信能大幅度提升网络容量、提高网络速率,将成为5G博弈后半场的主角。然而频段越高、波长越短,毫米波也有穿透性差、衰减大的缺点,这将对射频器件(功放、滤波器、数模转换器)提出更高要求。

我国在射频领域的落后是不争的事实,虽然在低频通信时代全力追赶,但和国外相比还差距甚远,关键的射频器件几乎全部依赖进口。到了高频通信时代,挑战将更大。

我们必须认识到,技术的积累并非一日之功,美国、日本等领先技术的掌握是几代人传承的结果。我国要想尽快补齐短板,唯有站在巨人的肩膀上,吸取国外领先技术经验;更重要的是,用工匠精神去研发,去攻关,脚踏实地,仰望高频通信的星空。

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责任编辑:晓燕

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