60GHz频段在全球已经分配给免许可的无线通信系统。美国、欧洲及日本都已经分配了至少5 GHz的邻近带宽,几乎等于所有其它无线通信频段的总和。这一空前的数量使该频段有可能实现比其它带宽受限的通道更高的数据率,甚至达到1Gbps的范围。
但该频段存在一些重大缺点。最重要的问题可能是路径损耗:对于60 GHz的全向天线而言,它太严重了。另一个问题是:与当今广泛使用的低频段相比,它的电路更难设计和实现。
为了获得更高的系统集成度,从而实现更低的系统成本和功耗,我们希望所有电路由标准CMOS实现(在此情况下为130 nm工艺)。这也使实现电路的问题变得更复杂。以采用130 nm CMOS工艺实现的NMOS器件为例,它的最高频率(fMAX)接近130 GHz,这意味着在最佳条件下,单级放大器在60 GHz上的增益预计只能达到4至6 dB。
CMOS工艺的优势是,它能在非常小的面积上以非常低的功耗支持大量的数字处理。如果想用CMOS创建先进的通信系统,特别是在60GHz载频上的通信系统,关键是要利用好CMOS器件的数字计算能力。
当迁移到更高的60GHz载频时,我们也减小了载波信号的波长,它对天线系统具有很大的影响。如果采用一个常规的全向天线,路径损耗将与波长的平方成反比。这意味着从5GHz转到60 GHz时,路径损耗将增加22 dB。对于工作在60 GHz载频的全向天线来说,它在10米内的路径损耗总和为88 dB。另外,我们有理由假设,60 GHz通信系统的发射功率将大致等于工作在更低频率上其它类似系统的发射功率。
但由于CMOS电路的局限性,我们将很难实现这种功耗水平。显然,在这两种假设下,为了使60 GHz系统在合理的通信距离内实现较高的数据率,设计者必须对路径损耗进行补偿。解决这个问题的唯一途径是采用高增益天线。
为了在变化或移动的环境中获得高增益,唯一可行的方法是采用自适应天线阵列。关键是这种类型的天线能够在几乎任何方向上达到高增益。
系统所选择的天线数量应该能克服系统产生的路径损耗,甚至进一步改善信号,以帮助系统的其余部分。为了在10米距离内实现1Gbps的系统规范,并提供一些安全裕量,我们可以计算出在发射端和接收端将各自需要大约16支天线。
当使用天线阵列时,我们能够从增加的天线方向上获益。不过,我们还发现另一个非常重要的好处。现在有N个独立信号在驱动N个独立天线,因而相应存在N个独立的功放(PA)。那么,总的发射功率等于经过空间合成的阵列功率之和。所以,每个单独PA的功率输出需求被减少到系统总需求的1/N,其中N为天线数。功率需求的降低对于未来的CMOS设计非常关键,因为那时的芯片电压可能接近、甚至低于1V。
当为发射机增加天线时,我们要面对双重效应,即每增加一个天线,方向将增加一个,但如果我们为每支新天线增加一个相同的PA,那么总的发射功率也将增加一个单元。因此,如果我们为每支新天线增加一个相同的PA,那么天线数量每翻一倍,等效全向辐射功率将增加四倍。这意味着使用16支发射天线和16支接收天线的系统将比只使用一支天线和一个PA的系统拥有高出10×(lg16+ lg16+lg16) = 36 dB的系统联合增益。
天线阵列的相位应该采用数字控制,这意味着相移将被量化。在工作中,我们需要实施仿真以测试精度需求。一个波束从0度扫到90度。在每一点上,带浮点加权系数的理想波束将与通过量化加权系数所形成的波束进行比较,从而确定用于量化情况的主波束角度以及与理想情况相比的角度误差。我们发现,每支天线只需要一个3位移相器就能获得几度的角度误差。
如果RF前端使用差分信号,而且混频器使用I/Q混频方案,那么移相器将需要同时处理I、Q差分信号。因此,3位移相器可以用矢量调制器来实现,并能缩减成基于I和Q信道的1.5位电路的组合,称为PIC电路。这些很简单的电路只需通过、反转或取消输入的信号。然后,分别在I信道和Q信道上的PIC电路的输出将被合并,以形成移相器。
因此,在移相器的输出端,I和Q PIC电路有8种可能组合:(I)、(I+Q)、(Q)、(-I+Q)、(-I)、(-I-Q)、(-Q)及(I-Q)。移相器只需在信道刷新率上进行切换,对于60GHz系统,该速率大约为几百赫兹到几千赫兹。如果数据率为1Gbps,那么移相器显然将长时间处于静止状态,因而可进一步放宽对它的性能要求。
采用RF移相器的系统具有只需一个数模转换器、一个RF上变频器、一个RF下变频器以及一个模数转换器的优势。以前的系统则需要使用N个RF混频器、甚至N个收发器,故因而要消耗更多的功率并占用更大的芯片面积。采用RF移相器的系统还保留了具有N个PA及N个低噪声放大器(LNA)的优势。
值得重点指出的是,移相器在发射机中位于PA之前,在接收机中位于LNA之后。这意味着发射机中的移相器既无需处理高输入功率,也无需获得高功率增益。在接收机端的情况与之类似。移相器将操作已经被放大的信号。请注意,此时增加的噪声并不重要,因为移相器已经获得正常的输入信号电平。
对RF移相器的性能要求远低于对混频器的性能要求。最重要的是,开关频率从RF混频器的60 GHz全载波频率下降至RF移相器的数百赫兹信道刷新率。因此,如果设计得当,RF移相器的使用将发挥出自适应天线的全部优势,包括最小的额外功耗,从而节省总功耗。
Sayf Alalusi是加州大学伯克利无线研究中心的研究生。
作者:Sayf Alalusi
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