5G时代的射频革命具有毫米波设计能力的射频工程师机会来了

2017-05-03 by:CAE仿真在线来源:互联网

根据通信原理,无线通信的最大信号带宽大约是载波频率的5%左右,因此载波频率越高,可实现的信号带宽也越大。更快网络速度,更大的网络容量是5G的特点,因此5G会使用毫米波通信。

国际电信联盟(ITU)与3GPP已共同规划进行5G标准的两阶段研究。第一阶段研究将着重于40GHz以下的频率,以因应较急迫的商业需求部份,完成时间订为2018年9月。第二阶段则预计从2018年开始,于2019年12月完成,目标是达成IMT2020所列的KPI,并着重于高达100GHz的频率。为了统一全球的毫米波频率标准,ITU在近期的世界无线电通信大会(WRC)结束后,公布了24GHz到86GHz之间的全球可用频率的建议列表:

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

当ITU、3GPP与其他标准组织决定以2020年作为定义5G标准的期限时,手机电信业者正加紧脚步推出5G服务。美国的Verizon与AT&T致力于在2017年推出5G的初始版本。韩国规划在2018年奥运推出5G试行版,日本则预计在2020年的东京奥运展示5G技术。有了这些不同单位订定各自的目标,适用于5G的频率选项也逐渐浮上台面:28GHz、39GHz与73GHz。这三种频率的毫米波大气吸收率都通较低。

5G时代的射频革命具有毫米波设计能力的射频工程师机会来了HFSS分析图片1
图 1. 研究人员需要采用多种不同的支持技术、设备和方法来实现目前预想的六种 5G 技术特性。

虽然毫米的大气吸收损耗有低损窗口,但是无线信号在大气中的传输损耗IL=32.44+20log(d)+20log(F),对于毫米波信号而言,信号的自由空间衰减是很大的,比如20GHz的信号每百米的自由空间损耗为98.5db。并且毫米波的粒子特性明显,绕射能力很弱,在信道途中若有遮挡,信号将被阻拦。因此,毫米波在空气中衰减非常大这一特点也注定了毫米波技术不太适合使用在室外手机终端和基站距离很远的场合。各大厂商对5G频段使用的规划是在户外开阔地带使用较传统的6GHz以下频段以保证信号覆盖率,而在室内则使用微型基站加上毫米波技术实现超高速数据传输。

5G时代的射频革命具有毫米波设计能力的射频工程师机会来了HFSS分析图片2
图 2. 5G 候选波形覆盖多种可能实施的方法

5G时代的到来,也是毫米波时代的到来。在5G白皮书公布之前,毫米波应用于导弹制导、军事雷达以及射电天文学等领域。在我国只有少数的军工或者外企才有这个平台去触碰毫米波领域。5G的发展,毫米波应用由军用转向民用,通信行业会迎来新一轮的洗牌,射频行业也会出现极大的挑战和机遇。对于现在大部分的射频工程师来说,他们所接触到的产品频率都在6GHz以下,属于微波范畴,微波和毫米波同是无线通信,但在设计理念、生产工艺上差别是极大的。

国内的毫米波从业人员需要克服以下几个困难:

1)技术瓶颈。目前从事毫米波领域的人才多集中在军方和国外厂商手里,技术封锁、器件禁运、甚至连一份Datasheet都找不到。而国内在毫米波领域的基础研究还非常薄弱。

2)实验环境搭建困难。毫米波频率对应的信号源、频谱仪和网络分析仪等仪表的价格都在百万以上。较少数的厂家有能力搭建毫米波的测试平台。

3)毫米波产品需要非常高的可靠性设计与验证过程。需要从系统、材料、软硬件、结构、测试验证、生产工艺、一致性等多方面考虑,远高于之前的通信类产品。

5G来了,具有毫米波设计能力的射频工程师是非常稀缺的,机遇和困难并存,RF从业人员在5G时代将打出漂亮一仗。

开放分享：优质有限元技术文章,助你自学成才