从5G到6G，为什么天线系统规模越来越大？
【导读】当前，全球5G发展已经进入关键期，渗透率在快速提升，5G在各行各业逐渐完成场景落地。根据中国网信办的统计数据，截至2021年底，中国已建成142.5万个5G基站，总量占全球60%以上，5G用户数达到3.55亿户。而就在5G发展如火如荼的同时，全球主要国家已经投身6G研究。
图1：中国5G基站数量占比
（图源：中国信通院）
6月21日，中国移动对外发布《6G网络架构技术白皮书》，这是业界首次系统化发布6G网络的架构设计。同时，在第二届全球6G技术大会上，美英日加等国也深入探讨了6G相关网络技术和场景落地。从5G到6G，天线系统升级是关键所在。本文主要阐述在当前的6G研究中，天线系统的显著特征，以及贸泽电子在售的电子元器件如何助力实现这些复杂的系统级设计。
6G带来的更大规模天线挑战
在2022世界移动通信大会上，大会主办方全球移动通信系统协会发布报告指出，预计到2022年底，全球5G连接数量将超过10亿。并且报告中还提到，2022年至2025年运营商6,200亿美元（预计金额）资本支出中的85%将用于5G发展。随着基站覆盖率不断提升，终端连接数量暴涨，现阶段5G发展已经进入深水区。
在此过程中，5G的身份也在发生着悄然的变化，从运营商圈定用户的新世代网络，变成了数字经济的筑基技术。在短视频、4K/8K高清视频、网络直播等领域初显威力后，目前5G+工业物联网已经成为产业发展的核心，除了网速更快以外，5G在高宽带、低延迟和广泛连接方面的潜力逐渐被挖掘出来。
然而，随着5G创新项目和示范项目越来越多，5G的短板也开始显现。比如在覆盖性方面，5G依然只能覆盖陆地区域，而无法覆盖地球面积占比更大的海域，以及空中；在连接范围方面，5G在应对密集型场景时依然会有局限性；在低延迟方面，5G在自动驾驶和一些工业场景下依然被认为是需要优化的。要解决这些难题，就只能寄希望于下一代移动通信网络——6G。
相较于5G，6G在传输速度、传输容量、传输空间和覆盖范围等方面有明显优势。
传输速度
6G可能会是当前5G峰值速度的100倍，网络延迟从毫秒级降低到微秒级，虚拟现实和自动驾驶等场景都将因此受益。
传输容量
6G将使用“空间复用技术”，容量达到5G基站的1,000倍以上，连接设备密度达到每立方米数百个，更加有利于物联网的发展。
传输空间
6G将采用空天地一体化网络，打通了卫星和地面基站的通信。
覆盖范围
6G将在地球上形成无所不在的全覆盖网络，在海上和山区也不用担心无法通信。
为了完成这些关键指标，6G除了使用“空间复用技术”以外，也会将通信频率提升到太赫兹级别，这个频率已经接近分子转动能级的光谱，在单节点信号覆盖以及抗干扰方面面临着更大的挑战。再考虑上述提到的6G单节点容量提升，因此6G对通信设备的天线系统提出了非常高的要求。
相较于5G天线核心技术——大规模MIMO，6G采用阵列规模更大的超大规模MIMO，每一个阵列中还会融合感知通信、数字波束控制、AI赋能等创新技术，具备宽动态、多波束的典型特征。为了支持更宽的频段，提升单基站的通信容量，在基站侧配置的超大规模天线阵列会有几十个甚至是上千个。并且为了支持更高频通信，高增益天线也是不可或缺的。
在具体实施层面，6G全新的天线设计又需要具备体积小、重量轻、低成本、低功耗、架构灵活等特点。也就是说，理想的6G基站天线系统相较于现有的大规模天线阵列，体积相当，甚至是更小，且因为AI和通信技术深度融合，6G天线阵列规模虽然很大，但功耗更低，且更加灵活。
当然，和过往每一代通信技术的天线系统一样，在6G超大规模天线系统里，电子元器件依然是核心支撑，是系统的基石。在探索和打造6G超大规模天线系统，乃至整个6G通信系统的过程中，贸泽电子都是理想的电子元器件采购平台。下面，我们就为大家推荐几款贸泽电子平台上在售的，适用于大规模天线阵列的元器件。
适用于高频、高速通信的整体连接器方案
如上所述，无论是当前的5G，还是未来的6G，天线系统都将采用大规模MIMO或者超大规模MIMO。硬件组成上，会有数个、数十个，甚至是上千个天线阵列构成大规模天线系统，那么在系统中起到连接作用的连接器便显得尤为重要。然而我们今天并不是向大家推荐某一款连接器，而是贸泽电子平台上在售的来自制造商Samtec的连接器整体解决方案。
在微波和毫米波技术领域，Samtec提供精密射频连接器和电缆组件，支持最高110GHz的高频段，并提供出色的可重复性和低VSWR。
图2：Samtec精密射频连接器和电缆组件
（图源：贸泽电子）
Samtec精密射频连接器和电缆组件拥有1.85mm、2.40mm、2.92mm、3.50mm和SMPM（微型连接器）五大系列。其中，1.85mm、2.40mm、2.92mm和3.50mm均是基于空气介质设计，拥有低电压驻波比和插入损耗，它们之间拥有出色的互连性，1.85mm可与2.40mm相匹配，2.92mm、3.50mm和SMA可配合使用，并且这些坚固的接口可以帮助系统实现一致、可靠的性能；SMPM属于微型连接器，比SMP小30%，通过推入式设计，可实现快速、方便地接合，借助子弹型适配器还可以做到板对板盲插。
在贸泽电子上，通过任意一款Samtec精密射频连接器和电缆组件的产品详情页都可以浏览到Samtec在这方面的完整解决方案，比如1.85mm系列中的PRF18-J-C-EP-085-BS，大家可以通过搜索此制造商编号快速查询到这个器件。
在时下热门的5G通信方面，Samtec面向测试和开发系统、远程无线电和有源天线、网络设备以及汽车和运输领域推出了不同类型的连接器产品线，满足相关领域对于5G技术所需的超高频率和高数据速率需求帮助实现mmWave、大规模 MIMO、波束成形和全双工等5G典型技术应用。
图3：Samtec 5G解决方案
（图源：贸泽电子）
在5G测试和开发系统方面
Samtec广泛的产品组合和高性能互连专业技术可以在测试和测量设备之间实现5G系统原型设计和连接。
在远程无线电和有源天线方面
Samtec提供全系列解决方案帮助设计师在更小的外形下实现大规模MIMO和波束成形等技术。
在网络设备方面
Samtec的高性能互连专业技术和产品解决方案使得这些设备具有可扩展性、智能性和灵活性。
在汽车和运输领域
Samtec不断扩展的汽车互连产品组合让汽车更智能，改善交通流量并提高安全性。
MEC5-070-01-L-DV-W1-K-TR（制造商编号）为一款Samtec MEC5超高密度微型插卡式插座，与较为常见的0.80mm间距解决方案相比，此0.50mm间距超高密度插卡式插座可大大节省空间，适用于5G远程无线电和有源天线等高密度应用。在贸泽电子平台上，通过MEC5-070-01-L-DV-W1-K-TR详情页的最下方信息，便能够找到Samtec 5G解决方案的入口。
适用于大规模MIMO的射频功率氮化镓晶体管
在5G逐渐从Sub-6G频段升级到豪米波频段的过程中，使用包括很多天线在内的天线阵列成为唯一的选择，以克服材料的物理极限，以及国家政策对于发射功率的限制。而到了6G时代，更高的载波频率以及更大的通信容量，意味着超大规模MIMO在基站中更是不可或缺的一环。
我们接下来要介绍的这款器件，便是适用于5G基站大规模MIMO有源天线系统的A3G26D055N Airfast? 射频功率氮化镓晶体管，来自制造商NXP Semiconductors，贸泽电子网站上该器件的制造商编号为A3G26D055NT4，大家可以通过搜索此编号迅速找到这颗元器件。
图4：NXP A3G26D055N Airfast?射频功率氮化镓晶体管
（图源：贸泽电子）
A3G26D055N Airfast? 射频功率氮化镓晶体管（以下简称：A3G26D055N）设计用于需要非常宽的瞬时带宽能力的蜂窝基站应用，采用8W对称式Doherty设计，支持100MHz至2,690MHz的宽频率范围。通过下图能够看到，该器件在2675MHz时的功率增益为18db（典型值），效率为54.1%。以往“带宽较低”这一困扰MEMS电容式加速度计的问题，也得到了极大的改善。可以想见，MEMS电容式加速度计的发展正在拉低CbM和预测性维护的“门槛”，使得这一技术能够渗透到电机应用的更多场景。
图5：A3G26D055N性能表现
（图源：贸泽电子）
面向5G基站的大规模MIMO有源天线系统应用，A3G26D055N经过了专门的性能优化，具有高端子阻抗，实现出色的宽带性能，并通过新一代信号技术改善线性化误差矢量幅度，能够承受非常高的输出VSWR和宽带工作条件。此外，该器件采用的紧凑的7.0mm x 6.5mm DFN-6封装，非常有利于整体实现小型化和高集成。
除了特别适用于5G基站的大规模MIMO有源天线系统，A3G26D055N在W-CDMA和LTE、宏蜂窝基站驱动器、微蜂窝基站以及小型蜂窝末级等领域同样能够发挥出色的性能。
可用于5G大规模MIMO的双通道开关LNA模块
接下来，我们为大家推荐的是一款可用于5G大规模MIMO的双通道开关LNA模块。LNA（Low Noise Amplifier）为低噪声放大器，可用于射频接收和发射电路。其中，在射频接收电路中，LNA模块可提升接收灵敏度，消除滤波电路造成的衰减问题。
我们今天推荐QPB9378双通道开关LNA模块来自制造商Qorvo，该器件在贸泽电子平台上的制造商编号为QPB9378TR13。
图6：Qorvo QPB9378双通道开关LNA模块
（图源：贸泽电子）
QPB9378TR13是一款面向5G TDD基站的高度集成的RF前端模块，采用双通道配置，集成了两级LNA和大功率SPDT开关。QPB9378TR13在低增益模式下，具有第二级LNA（具有旁路功能）和LNA掉电模式（发射模式下）。
QPB9378TR13可在2.3-5.0 GHz范围内工作。在接收模式的低增益状态下，增益为14.5dB，OIP3为+34.5dBm，噪声系数为1.25dB；在接收模式的高增益状态下，增益为33.5dB，OIP3为+33dBm，噪声系数为1.25dB；在发射模式下，平均功率处理能力为20W，插入损耗为0.5dB。
QPB9378TR13采用6mm x 6mm的紧凑封装尺寸，不仅是在5G大规模MIMO领域，在小型蜂窝BTS、无线基础设施和基于TDD的架构等方面都能够体现出高性能和高集成优势。
通信技术的未来发展
正如中国工程院院士邬贺铨所言，“正在研发中的6G，需要吸取5G的经验，不能简单地再将峰值速率提高1,000倍为目标，还得考虑如何才能满足大众的应用需求。”显然，包括当下热议的6G，以及未来世代的通信技术，绝不仅仅是单纯以提升网速为目的，超高带宽、超低时延、超大容量以及和人工智能技术的深度融合等会为每一代通信技术带来巨大的改变，当然还会有更多的原始创新技术加入进来。
在可预见的6G时代，超大规模MIMO和波束成形技术依然会是通信基础设施升级的核心技术，而帮助实现这些技术的是设备里一颗颗高性能的射频连接器、电缆组件和种类丰富的射频器件，它们汇聚在贸泽电子平台上，又四散到每一个工程师的手中，并在通信设备中找到最终归属，助力一代又一代通信技术的升级迭代。
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