5G使基站升温

在5G大规模商业部署之前，工程师们必须解决一些棘手的问题，包括如何让一项热门技术变得更冷。

5克高通(Qualcomm)、三星(Samsung)、华为(Huawei)、联发科(MediaTek)、英特尔(Intel)和苹果(Apple)等公司的调制解调器芯片组已经上市，一些5G服务(LTE-Advanced/LTE-Advanced Pro)也已在美国上市。但5G网络中仍然缺少的是功能强大到足以形成和引导单个射频连接到范围内每个用户的基站，同时还能执行电磁几何运算来维持这种连接。

在无线世界中，基站是一种将其他无线设备连接到中央集线器的设备。它是一种无线接收器和短距离收发器，由天线和模数转换器(adc)组成，用于将RF信号转换为数字信号并再转换回来。5G基站将拥有波束形成的大规模多输入多输出(MIMO)天线，这是一组天线，可以利用毫米波频谱同时聚焦和引导多个波束到地面上的不同目标，比如手机。有时，这意味着将信号从物体上反射到目标附近，而不是在一个区域内广泛传播信号。

尽管爱立信、三星、诺基亚和华为正在生产5G基站技术现在，这项技术还存在差距。基站仍然不够强大，无法追踪移动用户，并确保每纳秒都能连接到每个用户。

为基站开发的东西必须与手机无缝配合。它们还必须足够可靠，能够持续使用多年，但目前的技术运行得太热了。它如何影响可靠性和信号完整性还不清楚，因为在那一点上，人们很确定天线阵列将如何被测试，因为没有暴露的引线。这些天线对于基站、手机和其他移动设备(包括联网汽车、健康监测设备甚至工业设备)的波束形成、引导和接收至关重要。

“如果你把天线嵌入到封装中，当封装升温或降温时，就会改变天线的工作方式，”苹果公司业务发展副总裁基思·绍布(Keith Schaub)说效果显著的美国应用研究与技术部门。“这会影响波束形成、波束转向，并造成功率损失。它还会影响需要严格控制的制造过程。”

Schaub指出，基站和手机都是按照标准设计的，但这些标准的实施可能会有很大差异。例如，当两家主要的芯片公司开发他们的第一批5G芯片时，他们遵守了标准，但由于驱动程序的轻微不一致，芯片无法相互兼容。

两阶段的承诺
尽管被称为5G，但5G更多的是一种方向声明，而不是一种技术。今天推出的低于6ghz的版本更像是4.5G。信号衰减是适度的，这些设备的性能很像今天的手机。但当毫米波技术开始推广时——目前的预测是2021年或2022年——一切都会发生重大变化。这部分光谱非常敏感，它可以被衣服、皮肤、窗户，有时甚至是雾阻挡。

结果是需要更多的蜂窝来保持设备连接，基站和手机将不断寻找保持连接的方法。任何有手机的人都知道，寻找信号会更快地耗尽电池。但它也使逻辑电路保持活跃，从而产生热量。在基站中，由于设备密集，热量积聚会导致各种各样的问题。它会对信号完整性产生影响，并会缩短所有组件的使用寿命。

ETS-Lindgren的技术开发主管Michael Foegelle说:“当你的频率范围没有手机信号塔那么远时，你必须增加更多的网络密度才能获得同样的连接。”“当你设计这些时，你必须假设它们会在外面，你必须设计出一种消除所有这些的方式。因为你在室外，不想冒险使用主动冷却装置，你可能需要经常修理，这意味着需要大量的环境冷却。”

另一个热源来自用于产生射频信号的模拟电路。将模拟信号转换到数字网络中需要功率放大器和转换器。但使用硅进行这些转换效率不高，所以热量会积聚起来。虽然波束成形理论上可以节省电力，因为你不是向每个方向广播，但这种技术也有它自己的问题。

“首先，你需要足够的硬件来完成大量的数模转换，而且成本仍然过高，”Foegelle说。“但它也很需要权力。这种阵列的一个副作用是，用于它们的电路效率不是很高。它们会变热，由于设备和转换的数量以及效率问题，你必须能够散发大量热量。”

目前还不完全清楚这项技术是否会被数字技术所取代。目前还不清楚数字技术将如何影响诸如热量的影响，特别是如果设计被推向最先进的工艺几何形状。

华为首席营销官戴维•霍尔(David Hall)表示:“5G标准允许两种情况同时发生。国家仪器．”模拟电路效率较低，这在基站中产生了更多的热量。使用数字波束时，波形本身会发生变化，特别是在多路访问时。所以你必须调整载波的相位。”

霍尔指出，高温加剧了非线性效应。“如果你增加热量，扭曲就不会重复出现。”

这使得识别任何与高温有关的问题变得更加困难。一个解决方案可能涉及到测试本身。NI市场开发经理希思•诺克森(Heath Noxon)表示:“从历史上看，我们一直在使用盒式仪器。”“现在你必须更快地达到这个目标，更快地进行测试。”

不同的材料也有帮助，但它们增加了成本。Foegelle说:“使用GaN或GaAS的效率可能是硅的60%或70%，而硅的效率更可能是20%到30%，但它们要贵得多。”

如果有足够的交易量，这个问题可以得到解决氮化镓(GaN)或砷化镓(GaAs)，这样规模经济就开始发挥作用了。这两种材料都很容易理解，并且在使用它们方面有很多专业知识。“工程师们花了20年的时间来优化砷化镓功率放大器的效率，”NI的霍尔说。

“问题可能没有听起来那么严重，”福格尔说。“使用毫米波，带宽足够高，你不必花费太多时间进行通信。它移动得很快，这可以最大限度地减少热量积聚，并减少你传播的能量。但在我们能够看到基站的更多工作之前，我们不会知道这一点。”

体积问题
高温只是5G世界中出现的众多问题之一。这是一种完全不同的无线技术，尤其是毫米波技术。华为负责产品管理的高级集团总监弗兰克•施勒迈斯特(Frank Schirrmeister)表示，试图进入(通常是创造)5G行业的技术和服务提供商面临的压力非常大，而且很少有工具可以在这个过程的早期测试和验证任何一种有用的方法节奏．

这对于处理热量尤其重要，因为热量会影响组件的寿命。热效应可以加速电迁移，影响性能，并产生影响质量的噪音。但工程师们才刚刚开始研究这些技术，还不清楚还会出现什么。

图1:在5G波束成形演示中使用的R&S多端口网络分析仪ZNBT20，其中被测设备是Analog Devices的评估板。来源:半导体工程

罗德与施瓦茨公司的应用工程师迈克·莱菲尔(Mike Leffel)说:“如果工程师们习惯于在这些早期的蜂窝应用中以较低的频率工作，然后他们转而在更高的频率上工作，突然之间，所有的规则都变得更加严格，所有的经验法则都被抛弃了，你必须做一个更彻底的设计。”“这是一个更具挑战性的设计。元件在高频率下的工作效果不如在低频率下的工作效果好，所以你真的必须重新训练自己如何制造一个功能良好的产品。一切都变小了。波长变小。调整路径相位的能力更加困难，因为现在波长非常小，所以波长的微小变化可能是10度，而不是在较低频率下的1度。”

罗德与施瓦茨最近开始了为期一天的教育会议，以帮助工程师了解这些问题。但对勒菲尔来说，为5G宇宙准备工程师是“我们客户面临的最大挑战之一。他们必须重新考虑在更高频率下的工作方式。我看到的是有人说，‘我以前在6GHz做这个，我甚至不需要校准电缆。我只要把它挂上去就行了。现在当我在40GHz时，当我这样做时，它失败了。一切都失败了，我必须进行校准。当我校准的时候，它还是不能正常工作。罗德与施瓦茨公司的人说你必须用扭力扳手来做这个。我以前从来不用扭力扳手。’ Yes, but you never worked at 40GHz before. Now everything is touchy. And this is a more expensive, better quality cable at 40GHz. You can’t use that cheap cable anymore. You have to calibrate maybe every day instead of once a week. You have to worry about the length of that line and the insertion loss, so there’s an extra trace on this board, so you can measure how much loss is in that line and then subtract it from the results so that when you measure a path on here, you can correct for that trace. At low frequency you don’t have to do that. At high frequency, that trace is critical to know exactly. So all of these things you didn’t have to do before are suddenly important, and if nobody told you this, then how would you know?”

毫米波技术并不是什么新技术，以前在卫星通信或雷达中已经解决了许多毫米波网络问题。然而，一颗卫星和数十万个无线局域网规模接入点之间的成本差异足以改变成本/收益方程式，因此没有太多直接比较，Cadence的Schirrmeister说。

5G标准也在不断更新。福格尔说:“毫米波的波长约为一厘米，所以天线也非常小，每个用户使用两个天线——一个向上，一个向下。”“但对于基站，我们只有几家供应商在销售。这个标准的另一个版本将在今年晚些时候发布，因此存在一些不确定性。我们正在让运营商进来，试图弄清楚他们网络的传播特性将会是什么样子，以及他们在这个领域可能会看到什么类型的问题，但对于分销一种产品来说，价格仍然很高，你将不得不像WiFi接入点那样密集地推出，而不是蜂窝塔。”

谷歌工程副总裁Susheel Tadikonda指出，对于像5G这样的技术，最好保持简单，因为在标准或第一轮实施完成和验证之前，构建和测试就非常复杂Synopsys对此的验证组。物理层正变得非常复杂。您需要高带宽，并且延迟要求意味着您必须在物理层本身进行大量处理。我们过去很奢侈，可以把它发送到链上，用算法来完成。你所做的是将逻辑从一个部分移动到另一个部分。你还得转换模拟无线电波。数字化可能更有效，但在5G中，你没有12或14个调制解调器，而是数百个天线进行波束成形。它比4G复杂得多，转型也比向4G过渡复杂得多。”

混合设计
然而，有充分的理由坚持使用混合方法。所有或几乎所有低于6GHz的射频基站都使用数字波束成形，因为它比模拟波束成形更节能。根据2018年的一项研究，在高于6GHz的频率下，转换所需的滤波器占用了太多的空间，无法实现数字转换演讲加州大学圣地亚哥分校(University of California San Diego)工程学教授、高频通信和相控阵设计专家加布里埃尔·m·雷贝兹(Gabriel M. Rebeiz)在麻省理工学院进行了研究。

根据Redeiz的说法，在过去的二三十年中，在卫星通信雷达和其他类似5g的通信方法中，使用模拟信号进行射频和数字网络的混合设计是最常见的拓扑结构。Redeiz专门研究毫米波，主要研究在地面对高频带宽需求增长之前的这些问题。

混合模型的计算复杂度也比数字模型低，尽管阵列更大，这使得数字波束形成随着设备和天线尺寸的缩小而更具吸引力分析由安大略省加拿大皇家军事学院的研究员穆斯塔法·赫夫纳维发表。

Cadence的杰出工程师Gilles Lamant说:“人们正在讨论很多方法来混合和匹配频率、协议和设备，以其他方式从5G中获得很多价值，特别是对于那些不一定需要微秒延迟和10,000 Gbit/s无线网络连接的人。”

“人们正在讨论将射频置于光纤之上，但将模拟射频高速传输到数字射频可能会导致严重的热问题。不过，如果无线接口速度较慢，或者5G覆盖的地理区域更小，所有RF数据都可以直接进入网络数字域，那么这些费用就会少得多。”“这里的关键是能源效率，所以你通过光纤发送射频而不首先转换它，你可以节省金钱和时间。您可以稍后转换它或将该信号直接传输到另一个射频域。这有点像科幻小说，在一定距离之后，你必须在连接中投入更多的能量，但如果在成本和能量上进行权衡。这是需要考虑的问题，而不是通过笨重、缓慢的同轴电缆发送数据。”

结论
过于依赖人们使用智能手机的想法意味着忽视了许多其他应用程序。分析提供商或物联网网络所有者可能会发现，连接5G接入点与需要即时高速访问移动视频的公司一样具有吸引力，但使用5G接入点背后的物理网络进行双向高清流媒体的公司与将大量数据批量发送到云的物联网网络有很大不同。

Schirrmeister说:“如果你只关心你在Instagram上发布照片的速度有多快，这与你在一平方公里内有10万台设备分散在你想要连接的地方是不同的。”

在这一点上，有许多未知因素。热量只是另一个问题，尽管它很重要。但如何解决这个问题可能取决于许多其他因素，从基站的数字化程度到蜂窝和基站的密度以及毫米波频率。在这一点上，5G有很大的发展势头，但有很多变量可能会对这种无线技术的推出方式、工作效果和持续时间产生重大影响。

-埃德·斯珀林和苏珊·兰博对本文也有贡献。

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