在科技日新月异的当下，5G 技术的兴起宛如一颗璀璨新星，照亮了通信领域的发展道路。踏入 5G 时代，对于射频工程师而言，无疑迎来了一个充满机遇与挑战的黄金时期。5G 作为移动技术的一次重大变革与演进，承载着无线生态系统各方的诸多高层次期望，正引领着我们迈向新一代无线通信系统的征程。
5G 被广泛视作具有划时代意义的无线通信技术，它将蜂窝通信的应用范畴拓展至全新的领域，涵盖了一系列创新使用案例以及众多垂直市场。一方面，5G 在提供超宽带服务方面表现卓越，高清与超高清视频流的流畅播放得以实现。另一方面，5G 技术正逐步深入机器世界。例如，在智能交通领域，它为自动驾驶汽车的发展助力，通过精准的通信保障车辆间的信息交互与协同驾驶；在工业领域，能连接数百万个工业传感器，实现生产过程的实时监测与智能控制；在消费领域，众多可穿戴设备也将借助 5G 技术实现更便捷的数据传输与功能拓展。
从技术演进路径来看，5G 的发展包含在传统蜂窝频段对 4G 技术的逐步强化，以及将频率范围拓展至 3GHz 至 6GHz 的新兴频段。其中，大规模 MIMO 技术凭借行业发展的良好态势，正从最初基于 LTE 的系统，朝着采用全新波形的方向发展，以提升系统的吞吐量、降低延迟并提高小区效率。然而，频谱资源作为蜂窝行业的核心要素，传统的 sub - 6 GHz 频段已难以满足未来几年呈指数级增长的通信需求。为此，业界将目光投向 6GHz 以上的频段，积极研究在这些高频段部署无线接入的可行性。相较于 6GHz 以下仅有数百 MHz 的全球可用频谱，20GHz 以上频段潜在的频谱量可达数十 GHz，充分挖掘这部分频谱资源对于实现 5G 构建真正互联世界的愿景至关重要。因而，部分 5G 通信可能会在更高频率（甚至达到毫米波频段）运行，并且可能采用与 LTE 不兼容的新型空中接口技术。目前，主要行业参与者探讨的频段包括 10GHz、28GHz、32GHz 等多个高频段，但这些频段尚处于提案阶段，在确定无线电系统定义和进行标准审议前，信道建模等基础性工作仍任重道远。国际电联已发布 5G 标准化计划，目标是在 2020 年左右推出第一代 IMT - 2020 规范。
鉴于 5G 仍处于发展初期，在首批商用系统部署前，信道建模、无线电架构定义以及芯片组开发等方面还有大量工作亟待完成。不过，一些发展趋势与要求已达成共识，相关问题也有待解决，这些都将推动最终 5G 系统的成型。以微波和毫米波频率的 5G 接入系统为例，在微波频率实现无线电接入面临诸多挑战，其中一大障碍便是克服不利的传播特性。该频率下的无线电传播极易受到大气衰减、雨水干扰、障碍物（如建筑物、人群、树叶等）阻挡以及信号反射的影响。虽然微波点对点链路已应用多年，但其多为视线系统，且具有固定性，便于管理，近年来还通过高阶调制方案实现了高吞吐量。5G 接入系统将借鉴微波链路技术。在发展初期，人们就意识到自适应波束成形技术对于克服接入系统传播挑战的重要性。与点对点系统不同，5G 接入中的波束成形需根据用户和环境变化进行自适应调整，以确保有效载荷能准确送达用户。业界普遍认为，在微波和低毫米波频段将采用混合 MIMO 系统，而在带宽充足的 V 频段和 E 频段，系统可能仅依靠波束成形来达成所需的吞吐量目标。
混合波束成形***的工作机制较为复杂。在数字部分，MIMO 编码与常规数字无线电处理同步进行，需处理来自馈送天线系统的众多数据流的大量 MIMO 路径。对于每个数据流，DAC 依据所选架构将信号转换为基带或 IF 频率的模拟信号，随后信号被上变频并分配至各个 RF 路径，以馈送单个天线。在每个 RF 路径中，对信号进行增益和相位设置处理，从而形成天线波束，接收器工作过程与之相反。尽管该系统的框图看似简洁，但其背后的系统挑战与权衡极为复杂。在设计此类系统时，从初始阶段就需充分考量功耗、尺寸和成本等因素，这对于将系统从理论转化为实际产品至关重要。当前，利用 ADI 公司及其他同行的分立（主要是 GaAs）器件，可构建用于原型 5G 系统的无线电，但要实现与蜂窝无线电相同的高集成度，仍面临诸多难题。高集成度与高性能的兼顾是行业发展的一大难点，并且仅靠简单的集成无法彻底解决问题，还需实现智能集成。在考虑集成时，首先要对架构和分区进行合理规划，以充分发挥集成优势，同时，由于电路布局与基板相互关联，机械和热设计也不容忽视。
首先，要定义一个利于集成的架构。以蜂窝基站使用的高度集成收发器 IC 为例，许多采用零中频（ZIF）架构，以减少或消除信号路径中的滤波。在微波频率下，降低 RF 滤波器损耗至关重要，因为产生 RF 功率成本高昂。ZIF 架构虽能减少滤波器问题，但需权衡 LO 抑制，将问题从物理结构转移至信号处理和算法层面。在此过程中，可借助摩尔定律，利用同时优化模拟和数字部分的能力实现目标，蜂窝频率下的诸多算法和电路技术有望在微波领域发挥作用。其次，在半导体技术方面，目前先进的微波系统多采用砷化镓组件。长期以来，砷化镓是微波行业的重要支撑，但 SiGe 工艺正逐步突破高频操作障碍，在许多信号路径功能上已可与砷化镓相媲美。高性能微波 SiGe Bi CMOS 工艺能够满足波束成形系统对高集成度的需求，涵盖大部分信号链以及辅助控制功能。此外，根据每个天线所需的输出功率，可能需要使用砷化镓 PA，但砷化镓 PA 在微波频率下效率较低，因其通常偏置于线性区域，微波 PA 的线性化在 5G 时代成为重点探索领域。至于 CMOS 技术，其在大批量缩放方面具有优势，如在 60GHz 的 WiGig 系统中得到体现。但鉴于 5G 仍处于早期开发阶段，应用场景存在不确定性，目前难以确定 CMOS 是否以及何时能成为 5G 无线电的技术选择，还需在信道建模和应用场景研究方面开展大量工作，以明确无线电规格以及微波 CMOS 在未来系统中的适用范围。
最后，在 5G 系统中，机械设计与 RF IC 分区相互依赖。考虑到降低损耗的挑战，IC 设计需结合天线和基板进行优化分区。在 50GHz 以下，天线将成为基板的一部分，布线和一些无源结构可能嵌入基板，基板集成波导（SIW）领域的研究为这种集成结构带来希望。在该结构中，大部分射频电路可安装在多层层压板一侧，并连接至正面的天线，RF IC 可采用芯片形式或表面贴装封装安装在层压板上。在 50GHz 以上，天线元件和间距变小，可将天线结构集成到封装中或封装上，这也是当前的研究热点，有望推动 5G 系统的发展。无论何种情况，RF IC 和机械结构都需协同设计，以保证布线对称性并最大程度降低损耗，而这一切离不开强大的 3D 建模工具进行大量仿真。
5G 技术的发展为微波行业带来了诸多挑战，但也为射频创新提供了无限机遇。未来几年，通过在整个信号链中合理运用最佳技术，采用严谨的系统工程方法，将产生最优解决方案。从工艺和材料开发，到设计技术与建模，再到高频测试和制造，整个行业需要全方位努力，各学科共同协作，为实现 5G 目标贡献力量。随着技术的不断进步与完善，5G 必将为我们的生活和社会发展带来更为深刻的变革。
