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首款5G手机热销的背后:需要攻破这些5G关键难关

2019-08-19 11:51
来源: 芯智讯

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7月26日,华为正式发布了旗下首款量产上市的5G智能手机——Mate20 X 5G版,定价为6199元,并于当天开售接受预约。而截至8月15日中午12点,华为Mate 20 X 5G版的预约量已突破100万台。

今天(8月16日)上午10点,华为首款5G手机Mate 20 X 5G版正式开售。其中天猫作为Mate 20 X 5G版发售的第一阵地,仅一秒就售罄了,足见Mate 20 X 5G的受欢迎程度。

特别值得一提的是,Mate 20X 5G版是世界唯一商用搭载双7nm 5G终端芯片模组、唯一商用支持SA/ NSA 5G双模、首个中国5G进网许可证、首个泰尔5G通信能力五星证书、首个GCF 5G能力认证证书的手机。

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华为终端手机产品线总裁何刚强调,5G时代华为拥有领先的端到端5G研发与产品能力,包括5G算法、5G终端芯片、5G手机、5G CPE、5G无线设备、5G传输设备、5G核心网和5G云服务与内容等。而华为在拥有这些5G能力的背后则需要解决非常多的技术挑战。

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为进一步提高频谱效率、克服传播损耗等问题,5G大规模天线基站普遍采用波束成形技术。基站要通过波束扫描找到手机,然后手机和基站之间通过业务波束信号建立业务交互。这是一个很吸引人的设计,当然实现起来也是非常复杂的。波束使用同频还是异频,波束参数,信号质量、端到端性能,OTA射频性能等看起来简单几个问题,其实从系统设计与仿真阶段就要考虑进来,一个成功的系统设计能够显著降低产品生命周期各阶段的风险。

无线测试大规模MIMO和波束成形

在大规模的MIMO系统中,基站天线的数量远超用户终端的数量。因此,5G标准纳入了多用户MIMO(MU-MIMO) 技术,其中基站向有源天线系统馈送预编码信号,然后在空间上将多路同步数据流发送给多个用户,用户端的每个接收器均可选择其所需的数据流。为了实现该空间多路复用,gNB需要将辐射能量通过波束成形技术集中至各个接收器。基于波束成形技术,工程师可以实现MU-MIMO,以提高gNB容量并减少发射过程中的能量消耗。

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图:通过波束成形实现空间复用

随着5G商业化的逐步实现,由于管理和测试数十甚至数百个连接会增加复杂性和成本,占用较大的物理空间以及引入更高的插入损耗,许多波束成形系统可能会放弃使用天线连接器。目前的趋势是使用片上天线(AoC)和封装天线(AiP)设备来实现毫米波频率下的波束成形,但这种设备没有可用的RF测试端口,迫使业界亟需寻找可以使用OTA辐射测试方法来进行设备特性分析的测试系统。

通过OTA进行准确的特性分析

在许多情况下,使用50Ω仪器进行测试时,PA输出的行为会与PA连接到天线阵列时的行为有所不同。这会使等效全向辐射功率(EIRP)和总辐射功率(TRP)测量值产生误差。在接收器端,当接收到的信号通过带通滤波器时,接收器路径评估并不会对天线阻抗过度敏感。但是5G AoC和AiP设备的天线会与无线电紧密耦合,导致无线电噪声可能会改变天线温度,从而影响有效全向同性灵敏度(EIS)和总接收灵敏度(TIS)。当天线的噪声与无线电的噪声耦合时,OTA测量可以更准确地测量芯片组的实际RF性能。

远场测量挑战

随着转向使用OTA测试方法,工程师所面临的挑战是建立动态OTA测试系统来准确测试RF性能。因此,工程师将DUT放置在电波暗室内受控的RF环境中,与测量系统呈一定距离和角度,进行OTA特性分析和验证测试。

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图:天线测量区域

为避免使用大型RF暗室,许多研究人员正在研究近场测试,但是采样天线的安装位置如果过于靠近DUT,会引起诸多问题。如果要正确分析半导体特性,需要做到以下几点:避免将DUT能量耦合至辐射近场的测量系统;不仅要准确采集幅度数据,也要准确采集相位数据,以便正确进行近远场测量数据转换;评估EVM、ACLR或SEM,因为近远场变换最适合载波传播测量,但结果不如高带宽调制信号可靠。

对于波长仅为几毫米的毫米波设备,合理设计的RF暗室并不需要像sub-6 GHz设备的测试装置那么大型。5G毫米波OTA RF 机箱可以是1m甚至更短,以满足远场测试条件。这里的主要挑战包括,采样天线的位置;DUT定位器的机械结构应至少具有两个可维持参考极化方向的自由轴;机箱的屏蔽性能;能够进行热循环测试,不会因环境问题对暗室造成损害;正确分析静区的性能,静区是一个矩形体,其中墙壁、地板和天花板所反射 的电磁波应低于规定的最小值。

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图:5G OTA测试系统

由于阵列大小随波长而发生变化,在毫米波频率下将所有电子器件安装在阵列中变得越来越困难。也就是说,当元件数量相同时,20 GHz用的阵列的大小是40 GHz用的阵列大小的两倍。另外,两个频率下的天线阵列的辐射功率可能相同,但是40 GHz设备消耗的直流功率是20 GHz设备的四倍。这使得工程师必须设计、充分分析并测试设备,以进行适当的热管理和降额处理。而且每条传输路径和每个天线元件可以承受的功率电平也有限制。

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