當行業發展的腳步向5G邁進時，毫米波就成為了熱門詞匯。在各國運營商和設備廠商的推動下，26GHz和39GHz毫米波頻段首先被納入了3GPP標準。高頻段的毫米波帶來的大帶寬，為5G需求的高速率提供了想象空間，然而毫米波在大氣中傳播衰弱嚴重的弱點也成為其商用道路上的致命傷。不過，這一現狀有望改觀，近日高通在毫米波的攻堅中率先破題。
7月23日，高通宣布推出全球首款面向智能手機和其他移動終端的全集成5G新空口(5G NR)毫米波及6GHz以下射頻模組。高通QTM052毫米波天線模組系列和高通QPM56xx 6GHz以下射頻模組系列可與高通驍龍™X50 5G調制解調器配合，共同提供從調制解調器到天線(modem-to-antenna)且跨頻段的多項功能，并支持緊湊封裝尺寸以適合于移動終端集成。上述兩個系列的產品正在向用戶出樣。配置QTM052毫米波天線模組的終端將最早于2019年上半年推向市場。
高通 QTM052天線模組及高通驍龍X50 5G調制解調器
無論哪一代通信技術，頻譜都是最先要解決的問題。5G到來后，2G/3G/4G頻譜還需重耕，必然要引入新的頻譜資源。由于面臨諸多技術和設計挑戰，5G之前毫米波均未被應用于移動通信中。甚至移動行業中很多人都認為毫米波在移動終端和網絡中的應用是不切實際且不可實現的。而高通QTM052毫米波天線模組的推出會不會成為推倒多米諾骨牌的關鍵一步呢?
高通毫米波天線模組如何煉就?
想要在毫米波頻段實現通信到底有多難，我們可以先來看看毫米波的特性。首先，毫米波頻譜的傳輸距離有限，毫米波在全向發射時，能量發散比較快，容易衰弱，無法傳播到很遠;其次，毫米波頻譜容易被樓宇、人體等阻擋、反射和折射;第三，毫米波受限于很多空間因素，其中一個主要因素就是水分子，毫米波頻譜在下雨時、穿過樹葉、穿過人體時，它們衰減非常快。相對于無線通信對語音、數據傳輸的高要求，上述物理特性使得毫米波即便再有魅力也很難被應用到實際通信中。
而高通此次推出的QTM052毫米波天線模組，可與驍龍X50 5G調制解調器協同工作并形成完整系統，以應對毫米波帶來的巨大挑戰。作為完整系統，其可支持先進的波束成形、波束導向和波束追蹤技術，以顯著改善毫米波信號的覆蓋范圍及可靠性。
波束成形是不可或缺的“幕后功臣”，高通的毫米波天線模組不再使用全向發射，而是選擇定向發射。把能量聚集在一個波束，從而使得能量能夠傳輸得更遠，以提高覆蓋。高通利用多個天線形成相控天線陣列，天線之間的信號經過互相干涉影響，能把信號能量集中在一個方向發射出去。
“天線的尺寸和波長是呈正比關系的，毫米波的頻率高，波長短，因而可以顯著降低天線尺寸。高通充分利用了毫米波這一特性，在手機上設計多個天線并形成陣列，讓信號互相影響，從而形成波束。模組化就是基于這個思路衍生出來的。” 高通產品市場高級總監沈磊表示，“如果每個OEM廠商都自己開發和優化天線設計方案，要想做到不同天線之間的協同工作，對于他們的難度系數會非常高。所以一個比較簡單的辦法就是高通把天線以及射頻前端包括收發器和放大器等都整合在一個模組里面，在這個模組內把天線預先整合好，提前做好天線的調整工作，讓它們可以相互協同，從而很容易形成波束。”
形成波束后又出現了其它問題，如果只有一個波束，波束的方向又不變，一旦手機的位置有變動，信號就無法傳到基站。因此，波束必須要通過波束導向技術不斷調整，指向傳輸對象的方向。同時，手機持有者的位置不斷移動，基站相對于人的位置也在變，這就需要波束追蹤技術來時刻追蹤天線移動的位置，并讓波束做出相應的調整。
因此，我們需要毫米波天線產品既能支持形成波束，又能控制波束的方向，還能追蹤接收方位置的變化，讓波束一直保持在最佳的傳輸位置上。這更要求整個射頻鏈路上從調制解調器到收發器、放大器再到天線的所有器件都能更智能地協同工作。基于此次推出的QTM052天線模組，高通在連接技術上的整體領先優勢，正是應對這一挑戰的最佳解決方案。
助力OEM廠商贏在5G
隨著2018年6月中旬5G獨立組網標準的正式發布，整個通信行業進入到全面向5G沖刺的階段，按照我國2019年5G試商用以及2020年5G正式商用的規劃，留給終端廠商開發5G產品的時間不可謂不緊張，如果終端廠商還有5G“出海”計劃，毫米波頻段無疑是不能規避的問題。而高通毫米波天線模組的推出讓這一愿景成為可能。
隨著手機內部的天線空間不斷受到電路板、屏幕、攝像頭、電池等不同組件的更多擠壓，留給天線的空間就越來越有限，天線的性能也受到影響。在有限空間內提供良好的天線性能，這本來就很困難。而金屬材質的手機外殼、使用過程中用戶手部或頭部對視頻信號的干擾、用戶在使用手機中的不斷移動，這些都為手機天線帶來了更大的挑戰。
“所以，高通除了實現天線陣列外，還通過模組的方式把天線的尺寸降下來，讓一個調制解調器可以配備多個天線模組。高通此次推出的5G毫米波天線模組尺寸非常小，可以在空間和成本允許的情況下，在手機的4個邊立面上配備4個毫米波天線模組，以配合5G調制解調器芯片。這些毫米波天線模組都會連接到驍龍X50 5G調制解調器上，并集成從調制解調器往后的所有射頻鏈路芯片上的功能，包括收發器、射頻前端、天線等。通過將多個小面積的天線模組放到空間極度受限的手機終端里面，可以解決上面提到的很多挑戰。”沈磊說。
高通 QTM052天線模組
“小身材 大智慧”QTM052毫米波天線模組的推出源于高通對OEM廠商需求的深刻理解，手機設計的薄厚、手機材質、手機設計的流程以及研發生產的工序，都是高通開發產品時必須要考慮的因素。根據OEM廠商的要求，高通的解決方案可以幫助降低他們的研發難度，并通過模組化產品，縮短終端廠商的產品上市時間。這也是高通在業界具有的獨特優勢。
當然，到底怎樣使用QTM052毫米波天線模組，主動權還是在終端廠商手中。高通會給廠商提供在各種不同應用場景下形成的實測數據，由他們自己進行評估：是追求性能，還是追求尺寸或價格，決定權在OEM廠商手中。
推動5G商用更進一步
毫米波適用于在密集城市區域和擁擠的室內環境中提供5G覆蓋，而5G新空口更加廣泛的覆蓋將通過6GHz以下頻段實現。高通在此次發布毫米波天線模組的同時，也發布了QPM56xx射頻模組系列產品(包括QPM5650、QPM5651、QDM5650和QDM5652)。QPM56xx射頻模組可幫助搭載驍龍X50 5G調制解調器的智能手機在6GHz以下頻段支持5G新空口。
不同國家和地區對于5G頻譜有不同的規劃。2017年11月，工業和信息化部發布了IMT-2020(5G)的3300-3400 MHz，3400-3600 MHz和4800-5000 MHz頻段的頻率規劃，其中3300-3400 MHz頻段用于5G業務的室內使用。 2018年2月已開始研發試驗第三階段新技術驗證測試。這些測試中的許多試驗使用C波段頻譜(主要在3500 MHz左右)，偶爾在26 GHz頻段進行測試。
日本MIC已經宣布官方5G頻段為3700 MHz、4500 MHz和28 GHz。目前，美國運營商5G試驗限于28 GHz、39 GHz和15 GHz頻段，其中也有在2.5 GHz頻譜進行測試。歐洲的5G頻段主要集中在3400-3800 MHz頻譜范圍內。韓國的KT和SK Telecom都在計劃使用28 GHz頻段作為5G業務試用。
為此，無論是6GHz以下還是毫米波頻段，高通都需要進行大量的5G真實網絡模擬實驗。高通在舊金山的毫米波網絡模擬中，實現超過65%室外覆蓋，超過50%用戶速率高于1Gbps，用戶瀏覽下載速率從71Mbps提升至1.4Gbps(近20倍增益)。在法蘭克福6GHz以下頻段的網絡模擬中，實現了下行容量提升5倍，中值突發速率提升6.3倍&小區邊緣突發速率提升7.9倍，用戶瀏覽下載速率從56Mbps提升至490Mbps(近9倍增益)。
“6GHz以下的射頻鏈路架構和毫米波的射頻鏈路架構是完全不同的，所以高通要分開兩套來做。第一批5G手機可能更多基于區域的考慮，比如說手機產品投放中國，那就用6GHz以下的射頻產品來做，如果是投放到北美就用毫米波的產品來做。由于5G還處于發展初期，目前還沒有客戶向高通提出要開發更復雜5G產品的需求。”沈磊說。
隨著5G商用的不斷臨近，國內業界對5G毫米波的發展也十分關注。在本月中旬舉行的第三屆5G和未來網絡戰略研討會上，FuTURE推進委員會5G微波毫米波技術特別工作組發布了5G毫米波頻譜規劃建議白皮書，對國際國內5G毫米波共存研究進展進行梳理總結，旨在為國內5G毫米波頻率規劃工作提供必要的技術支撐。
中國移動也曾指出，5G強大的能力和豐富的連接場景勢必會激發各行各業的應用，需要高、中、低頻協同工作，在不同場景下不斷創造更佳的用戶體驗。為此，盡早推動毫米波產業發展和成熟對于5G的成功商用非常重要。今天，高通已經在毫米波上邁出了第一步，這一步也將成為推動5G真正商用的關鍵一步。
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