引言

5G 和 6G 无线系统的演进为新的 RF 前端设计及其实施带来了巨大挑战。对于 5G FR1（450 MHz 至 6 GHz）和 FR2（20–60 GHz），频段显著增加，频段组合更多，更高频率的频谱扩展也更多。除了 5G，新的 FR3（7–24 GHz）、FR4 频段（>90 GHz）分配也需要颠覆性的半导体芯片技术解决方案。作为射频行业从业者和解决方案和器件供应商需要了解 RF 技术的路线图，包括能够解决无线通信系统设计挑战的射频材料，工程基板以及芯片技术。

5G/6G RFFE(射频前端) 的演进

上面的图 1 介绍了当前的 5G 频谱，包括 WiFi 频谱 2.4GHz、5.8GHz 和现在的 6 GHz。为了支持 Gbps 数据速率，蜂窝 RF 前端架构将更加复杂，需要支持 Wifi5G 共存、支持新频段和双连接等新功能。

在 FR1 频谱中，5G 6 GHz 以下频段满足了 4G 频段无法满足的数据需求（网络饱和风险，导致服务质量差）。

3 GHz 以上的三个新 6 GHz 以下频段和其他频段正在逐步从 4G 转移到 5G（我们谈论的是频段重整）。与 4G 相比，这些新频段的带宽增加了一倍。它们将需要额外的接收和发送模块，如图 2 所示。在 FR2 中，5G 毫米波 (mmWave) 频段满足了 5G 6 GHz 以下频段单独无法满足的数据需求。

• 第一个毫米波频段位于 28 和 39 GHz 频率范围内，比 4G 频段增加了 10 倍带宽。未来还会有更多频段出现，从长远来看，52 GHz 和 71 GHz 是可能的。鉴于毫米波是一个新范式，它将需要具有特殊架构的专用射频前端。由于天线的尺寸较小，并且为了限制天线和射频前端之间的损耗（在毫米波频率下损耗要高得多），天线和射频前端可以集成在模块中。这称为封装天线 (AiP，Antenna in Package)。许多文献研究已经展示了对用户手部对 5G 毫米波移动手机设计的影响的全面研究，特别是在天线模块设计和放置方面。因此，需要根据实际应用，手机设计中，通常会把两到三个AiP模块将分布在移动设备内的不同位置。

• 5G RFFE（射频前端） 的另一个演进是 5G 移动架构需要支持双连接，这主要适用于没有 5G 独立网络但仍具有 LTE 网络锚点的 5G 部署的第一阶段。双连接是一种（非独立）功能，允许移动设备同时使用 5G 和 LTE 频段来提供更好的覆盖范围和数据速率。3GPP 第 15 版已将非独立功能标准化，旨在支持与 4G 和 5G 网络的连接，这是一项强制要求。

• 最后，5G 智能手机需要支持下行链路的 4×4 多输入多输出 (MIMO) 架构和上行链路的 2×2 MIMO。多天线技术已成为现代无线系统的一部分。4×4 MIMO 设备意味着该设备提供四个天线来生成四个数据流。每个天线都可以接收和发送数据。天线数量的增加允许以更快的下行和上行速度传输更多数据。 MIMO 4×4 蜂窝架构广泛用于 4G LTE 高级高端移动设备，并且将成为所有 5G 移动设备的必备配置。4×4 MIMO 的普及以及 FR1 和 FR2 等新 5G 频段的引入将在 5G RF 模块数量和 4G/5G 共存方面带来更多的 RF 前端复杂性。

5G/6G RFFE(射频前端) 所面临的挑战

?? 为了实现与多个 WiFi、UWB 和蓝牙的共存，必须将天线数量增加到 6-8 个。这些天线应可从各种 4G/5G LTE 无线电访问，并与 5G 频段中的 4G 频段共存。

?? 通过同时运行的多个发射器和接收器路径支持需要更多线性度的 GSM 和 4G/5G 数据。

?? 新的 5G 专用频段和更多的载波聚合将需要更多的滤波器组合，从而给 RF 物料清单和占用的空间带来更大的压力（图 3）。

?? FR1 的带宽高达 100 MHz。

?? 5G 更高功率等级设备需要天线高达 26 dBm。这个新的功率等级类别已通过 3GPP 定义。它定义了整个 5G NR 信道带宽上发射部分的最大功率。它解决了链路预算的限制因素问题：从用户设备到基站的 TX 功率。当用户设备发射功率较高时，可以实现更好的小区覆盖。这意味着功率放大器功率更高，但效率不会降低。

??? 改善 mmWave FR2 射频功率放大器的10%（ @9.6dB回退）以下的效率。

5G和6G射频前端系统的设计技术的参考学习书籍

本书讲述了射频前端设计和测试要点；

本书式一本高度全面的参考学习书籍，提供理解、开发和评估射频无线系统性能所需的射频系统基本知识

《射频前端设计和测试要点：无线系统实用指南》是一本面向系统的书籍，在一本书籍中提供了多个无线通信学科。本书涵盖了广泛的主题，包括天线基础知识、相控阵天线和 MIMO（对于最新的 5G mmWave 和未来的 6G 无线系统至关重要）、高频传输线、RF 构建模块（对于了解各种 RF 子系统如何在无线系统中相互关联和实施必不可少），以及传导和无线 (OTA) 发射器和接收器测试的测试设置。本书使读者能够理解、开发和评估 RF 无线系统的性能。

本书侧重于 RF 系统性能和测试，而非数学证明（可在书中提供的参考资料中找到）。尽管本书旨在用于测试和构建 RF 系统原型，但它具有掌握RF 系统设计和测试技术所需的足够理论背景。本书的每章都包含学习目标、复习问题和参考资料。

本书涵盖的示例主题包括：

• 蜂窝电话系统、5G NR 无线技术、MIMO 技术、6G 无线技术的太赫兹通信以及调制和复用概述；
• 模拟和数字调制技术，包括 AM、SSB、FM、FSK、PSK、QAM、SSFH、DSSS 和 OFDM；
• 高频传输线、S 参数、低噪声放大器、射频混频器、滤波器、功率放大器、频率合成器、循环器/隔离器、定向耦合器、射频开关和射频移相器；
• 天线基础知识，包括天线增益、辐射模式、输入阻抗、极化和天线噪声温度；微带天线、天线阵列、传播路径损耗、紧凑天线测试范围 (CATR) 和天线测量的测试设置。
• MIMO 和波束成形技术基础知识，包括模拟、数字和混合波束成形；
• 用于表征 5G 新无线电基站发射器和接收器的关键射频性能参数的测试设置。

《射频前端设计和测试要点：无线系统实用指南》是一本关于该主题的高度全面的参考学习资源，旨在为参与设计、开发和测试无线系统的研究生工程师和技术人员以及本科生/研究生提供参考，以增强他们对射频子系统/系统特性的学习体验。