关于5GSmallCell小基站！

大家好，这里是【射频学堂】。今天我们一起学习一下 Patrick Hindle 发表在www.microwavejournal.com的这篇介绍5G Small Cell 的文章。【射频学堂】对其进行了汉化处理，仅用于学习目的。

多年来，业界一直在谈论小蜂窝市场正处于巨大增长的边缘，但尽管它是一个相当大的市场并且已经有了一些增长，但它并没有像许多人预期的那样迅速起飞。尽管随着 5G 的出现，它已经做好了准备；满足在密集区域增加容量和物联网应用所需的大量连接的目标。根据福布斯商业洞察，2020 年，5G 小型蜂窝市场规模为 7.41 亿美元，预计到 2028 年将增长到约 180 亿美元，复合平均增长率为 54%。

小型蜂窝论坛最近发布了“5G NR FR1 参考设计，通用模块化架构的案例”，详细概述了小型蜂窝的设计（文档 251.10.01）。本文基于第 3.2-3.4 节，概述了小型蜂窝射频部分的架构。

小型蜂窝市场正在多样化，用于许多情况、部署模型和外形尺寸。根据该报告，每个场景都有自己的连接要求，存在很大的碎片化风险，这将使许多网络不经济。这种风险可以通过创建基于标准接口的通用平台来消除，该平台使广泛的组件能够互操作以支持各种小型蜂窝设计，同时保持规模经济。这种方法类似于在网络级别开发的 Open RAN 工作和标准化 RF 前端 (RFFE) 的 Open RF 工作。

不同厂商的small cell之间，或者不同功能拆分之间的接口并不统一。这会增加成本、复杂性、集成时间并缩小规模。通用接口解决了并非每个组件都可以统一的挑战。报告中提到的最大问题是 RFFE 会有所不同，具体取决于频谱频率、输出功率和其他因素。中性主机和企业部署需要支持尽可能多的频率以容纳许多用户，这增加了带宽需求。

根据小型蜂窝论坛的说法，RFFE 问题的解决方案是小型蜂窝网络设计的模块化方法，其中可以以标准化方式连接各种 RFFE 设计，例如基带和收发器单元。RFFE 可以换入和换出以支持不同的市场，而无需更改平台的其余部分。

虽然该报告提供了构成 5G NR FR1 小型蜂窝分布式无线电单元的组件和接口的框架，但本文将重点介绍小型蜂窝论坛概述的 RFFE FR1 架构，因为这些是 RF 设计人员感兴趣的架构.

射频收发器

图 1射频收发器架构示例。

RF 收发器包含独立控制的发射器、专用的观测接收器输入——用于监测发射器通道输出——独立控制的接收器、集成合成器和数字信号处理，以提供完整的收发器解决方案，如图 1所示。收发器支持时分双工 (TDD) 和频分双工 (FDD) 应用。

为满足 5G FR1 规范，该收发器可在 650 MHz 至 6 GHz（或更高）范围内工作。根据单芯片收发器件（2T2R、4T4R等）中受控发射器和接收器的数量，可以指定收发器带宽性能。一个或两个观测接收器通道可以监控来自发射器输出的反馈。反馈环路可用于实现误差校正、校准和信号增强算法，例如波峰因数降低和数字预失真 (DPD)。观测接收器在与发射器通道相同的频率范围内工作，并且可以支持高达发射器带宽 2 倍以上的通道带宽。

为了提高发射器动态范围，收发器可以使用可变衰减器提供功率控制范围。为了实现高水平的射频性能，收发器包括集成锁相环 (PLL)。PLL 为发射器和接收器信号路径提供低噪声射频合成，支持观察接收器的独立频率，并为转换器和用于信号处理和通信接口的数字电路生成时钟。

射频前端

小型蜂窝无线电中的 RFFE 提供以下功能：

• 它基于来自基带或 RF 收发器的控制顺序或同时提高收发器输出信号的功率并放大来自用户设备 (UE) 的接收信号。

• 它基于数字算法/校准，即DPD，向RF收发器提供发射器观测路径，以进一步提高整个发射路径的线性度。

• 它滤除发射路径上的谐波或互调信号以及接收路径上的干扰或干扰信号。

为了实现这一功能并最佳地平衡成本和性能，当前的 RFFE 实施通常属于异构集成，其中涉及使用不同技术制造的多个分立有源和无源组件。例如，功率放大器 (PA) 通常在 GaAs、GaN 或 LDMOS 工艺中实现，因为晶体管击穿电压比 CMOS 工艺高数倍，可以有效地产生所需的输出功率。

接收路径上的第一个放大器低噪声放大器 (LNA) 理想情况下应具有低于 1 dB 的噪声系数 (NF) 和输入三阶截取点，以满足小型蜂窝中的灵敏度和阻塞要求。基于 PHEMT 的 LNA 是一种常见的选择，因为它具有低 NF 和足够高的工作电压。

在滤波器中，通带损耗、通带外抑制和功率处理是元件选择中的三个关键参数。声波滤波器，包括表面声波和体声波，由于其高抑制和小尺寸，目前是接收路径的流行选择。通常选择陶瓷型滤波器将 RFFE 连接到天线，因为它的功率处理能力大于声学滤波器。

根据目前的 3GPP 定义，sub-6 GHz 5G 有 20 多个频段。这意味着 RFFE 硬件将具有频带选择性。组件供应商通常会尝试在引脚对引脚兼容的系列中开发多种产品，以覆盖整个 sub-6 GHz 频段，从而在更改频段时最大限度地减少 RFFE 硬件更改。此外，RFFE 中的发送和接收路径的数量需要可扩展为两个，以满足所需的 MIMO 配置，即 2T2R、4T4R 和 8T8R。

RF 收发器负责将数字基带信号转换为所需频率的模拟信号。大多数可用的 5G NR FR1 收发器 IC 基于 CMOS 工艺，可在高达 6 GHz 的频率下工作以覆盖整个 FR1 频谱，并在信号 IC 中支持至少 4T4R。（FR1 已更改为 7 GHz，但大多数仍将其称为高达 6 GHz）。一些收发器进一步集成了数字功能以实现校准或改进整个信号链的算法，例如线性度、镜像抑制、泄漏减少和杂散滤波。

基带功能几乎完全是数字化的，由软件配置，与射频频率无关。基带组件包括数字处理器、存储器和接口组件。为大容量市场设计的小型蜂窝无线电单元可以将所有功能集成到单个印刷电路板 (PCB) 上，以实现最低成本。或者，使用模块化解决方案可以更经济地解决一些小批量市场；例如，将接口、电源、基带和射频收发器功能集成到一个 PCB 上，服务于多个市场；而特定频段的组件被分组到一个单独的市场特定 RFFE 模块 (FEM) 中。

功能块 TDD

图 2 TDD 模式下的小蜂窝 RFFE 组件。

图 2显示了用于 sub-6 GHz 5G 的 TDD 中具有两个观察路径 RFFE 的发射器/接收器。TDD 意味着发射器和接收器在同一频段交替工作。理想情况下，在 2T2R 配置中，两条传输路径是相同的；接收和观察路径也是如此。RFFE 中的所有 RF 组件以 50 Ω相互连接系统。由定向耦合器实现的观测路径耦合来自 PA 的少量输出功率，并将其馈送到收发器以进行信号分析和处理。这使收发器能够准确地监控和控制输出功率，并应用 DPD 来改善发射信号的线性度。观察路径的工作频率通常与发射路径的工作频率相同。

PA 通常是基于 GaAs 的高效放大器，它使用来自收发器或基带的 DPD 算法以高效率和线性度提供足够的输出功率，同时与线性放大器相比降低功耗和发热。接收器 FEM 将 LNA 和单刀双掷 (SPDT) 开关集成到单个组件中。单个组件优于谨慎的解决方案，因为它提高了性能、降低了成本和更小的 PCB 占用空间。

循环器和天线端口（即天线滤波器）之间的带通滤波器（BPF）通常有助于消除 PA 产生的谐波信号，并保护接收路径免受干扰和干扰。LNA 之后的滤波器是接收路径中的第二个滤波器，可进一步抑制来自天线 (ANT) 端口的干扰信号。环行器是一个单向元件，它在屏蔽PA的同时将PA信号传输到天线，并从天线端口的反射信号中切换，由阻抗不匹配引起。

一些系统在开关和循环器之间插入一个功率传感器，以监测来自 ANT 端口的输入功率。当传感器指示输入功率高于预期值时，可以关闭或绕过接收器组件以避免损坏。天线滤波器和环行器都必须处理 PA 的输出功率而不会损坏。

表 1显示了两种最典型的小型基站配置：一种用于室内，一种用于室外。24 dBm 是室内小型蜂窝所需的传导功率，该表显示了典型的排列计算，以说明 RFFE 如何实现目标输出功率。该分析基于市场上普遍可用的产品的典型性能规格，并做出了一些选择以确保信号完整性、成本竞争力和多个供应商。

图 3 TDD 模式下简化的小型蜂窝射频系列。

图 4 2T2R 室内 Small Cell TX 功率预算。

为简单起见，图 3中的框图仅显示了单个收发器 RFFE 及其与收发器板和外部天线的接口。无源元件和互连会导致系统损耗以及路径损耗。收发器的射频端口都是差分的，需要无源巴伦连接到射频前端板。RFFE 板上的无源元件包括耦合器、循环器和 BPF。

图 4显示 PA 输出功率必须为+ 28 dBm 以补偿滤波器和天线损耗，确保将+ 24 dBm 传输到天线端口。通常，收发器可以提供大约 4 到 6 dBm 功率的 CW。考虑到 NR 信号的峰均功率比、目标 DPD 扩展和巴伦损耗，收发器板的平均输出功率约为- 7 dBm。为了向天线提供 24 dBm，PA 的功率增益需要至少为 35 dB，以补偿传输路径的损耗。使用 DPD，PA 的饱和输出功率应至少为 36.25 dBm，其 1 dB 压缩点至少应为 32.25 dBm。表 2中提供了有关 RFFE 发射和接收线路的更多详细信息。

在接收路径中，将 LNA 和 SPDT 开关集成到单个组件中的 FEM 是唯一的有源组件。表中总结了额外组件的典型增益和损耗，包括 BPF2，以及 FEM 和收发器增益和 NF。

使用级联系统中的 NF 等式，整个接收路径的 NF 约为 5.47 dB。有效接收增益是接收路径上所有增益和损耗的总和，为 35.9 dB。总 NF 可以通过使用损耗较小的无源元件或增加 LNA 增益来提高。

RFFE 中的温度传感器帮助系统监控 RFFE 在运行中的工作温度。多个温度传感器分别测量不同位置的温度，勾勒出 RFFE 的温度曲线，并协助进行电气调整以最大限度地减少 RFFE 温度变化，或者在 RFFE 过热时关闭硬件。

RFFE 内部的内存存储以下信息，以帮助小基站进行系统初始化、在线或离线校准。

• 五金制造资讯

• RFFE 电气特性，包括线性和非线性类型

• 由于频率、温度和偏置相关性而导致的性能变化。

功能块FDD

图 5显示了 FDD RFFE 框图。图中的虚线表示 RFFE 和 2T2R 配置中两个双工器之间的边界。线左侧的图与 TDD RFFE 的同一部分相同，除了环行器和开关的连接。因此，这种设计方法将 RFFE 接口与两个系统中的天线统一起来。当更改设计或实施多模小型蜂窝以在同一硬件中提供 TDD 和 FDD 操作时，这种方法可以减少额外的工作量。

FDD小蜂窝中发射和接收路径的工作频率是不同的。观测路径需要设计成与发射机频率相同，LNA后滤波器的频率需要与接收频率相匹配。FDD框图内存内容的数据格式，与TDD框图相比，使用不同的频率点来记录发射机和接收机的电气性能。

天线

图 5 FDD 模式下的小蜂窝 RFFE 组件。

天线辐射射频功率并接收来自 UE 的信号。在 TDD 和 FDD 小型蜂窝中，来自同一射频收发器的发送和接收路径共用同一根天线。RF收发器端口的数量和小小区的极化分集定义了连接到小区的天线元件的总数。根据系统要求，天线可以是全向的，用于 360 度全覆盖，也可以是定向的，以将辐射聚焦在更窄的角度上。天线可以是平面的，由多层 PCB 实现，并集成到 RFFE 板上。

平面天线（如贴片、缝隙和平面倒 F）通常具有 3 到 7 dBi 的增益。3D 天线在偶极子、单极子和螺旋形等小型蜂窝中也很流行。这些通常使用电缆或连接器连接到 RFFE，并且可以集成在小型蜂窝无线电中。如果集成，它们可以在没有连接器的情况下集成到 PCB 上或安装在板外，在这种情况下，可以使用例如 UFL 型连接器焊接或连接飞线。当天线未集成时，如使用更高功率的室外小型基站，可以使用防水射频连接器，例如 N 型或 4.3-10。

结论

虽然 FDD 与 TDD 的小蜂窝架构略有不同，但可以共享许多常见的信号链。架构的标准化可以降低成本、加快上市时间并最大限度地降低复杂性，同时使供应链多样化。标准架构是否会被广泛采用还有待观察，但它们正在蓄势待发；无论哪种情况，此处介绍的架构都将密切代表 5G 市场的小型基站设计。