实现极致移动宽带与无线光纤

Swiftlink历经八年的芯片和相控阵天线研发，成果汇聚于EMB波束赋形器：单芯片24至44 GHz解决方案，可连接低地球轨道卫星与5.5G/6G网络，提供媲美光纤的无线速度，演示数据速率最高达18 Gbps。

作者：Swiftlink Technologies的Thomas Chen、Donuwan Navaratne、Tom Huang、Habib Rastegar、Patrick Houghton和Andrew Chen，加拿大里士满。发表于《Microwave Journal》2024年8月刊。

过去几年，多家公司一直在开发技术，通过推进5G愿景所称的“极致移动宽带”（EMB）来提升数据传输容量。在Swiftlink，这项工作已持续八年，并带来了芯片技术进步和相控阵天线波束赋形器的开发。

这些EMB波束赋形器支持广泛频率范围，涵盖低地球轨道（LEO）卫星通信以及即将到来的5.5G/6G蜂窝网络所使用的全部频段。借助这一宽带解决方案，“万物互联”（IoE）的概念更接近现实。如图1所示，通过组合非地面与地面网络资源连接万物可带来明显益处。通过促进无缝无线连接，并将光纤般的速度融入无线基础设施，用户即将进入每台设备都以前所未有的效率和可靠性连接的时代。

这些EMB芯片在毫米波频率下工作，可全面兼容非地面低地球轨道通信网络和新兴5.5G地面网络基础设施。24至44 GHz的组合频率范围在毫米波频段提供20 GHz带宽。

毫米波解决方案

移动技术演进的每一步都由解决消费者问题所推动。如此巨大的传输容量将引发通信技术的重大变革，带来Tbps峰值数据速率、Gbps用户体验数据速率、毫秒级时延、厘米级定位精度以及每平方公里数百万连接等机会。

毫米波技术利用高频率革新通信，其数据传输速度比4G网络高出多个数量级。然而，要让通常工作在6 GHz以下的地面网络与可能延伸至Ka频段的低地球轨道网络互联，必须具备超过20 GHz的工作带宽。

Swiftlink EMB单芯片解决方案可接收相控阵天线馈源的毫米波信号，再将其下变频至驱动中频调制解调器的中频。由于这些集成电路可用单个器件在24至44 GHz的20 GHz带宽内完成毫米波下变频，系统供应商只需一颗芯片和一个天线阵列，即可满足5.5G/6G及卫星通信网络的通用部署要求。

图2展示了采用16单元天线阵列配置的EMB波束赋形器框图。每个天线单元连接一个发射/接收（Tx/Rx）通道。这些通道连接至二个无源功率分配器/合成器之一，之后接入上/下变频（UDC）模块。在发射模式下，中频输入信号进入UDC，在其中上变频至射频后由Tx/Rx通道发射。在接收模式下，天线采集射频信号，Tx/Rx级将信号放大和移相，再由UDC下变频至中频。

实现这些功能的EMB芯片采用GlobalFoundries GF 45RFSOI工艺制造，这是一种45 nm RFSOI CMOS节点。该工艺可提升晶体管在毫米波频率下的性能，并且是一种晶圆量产良率较高的成熟工艺。

如图3所示，相控阵天线单元向输入Tx/Rx开关馈电。在接收模式下，低噪声放大器放大天线接收的毫米波信号，并驱动向移相器馈电的差分I/Q部分，随后信号由可变增益放大器（VGA）放大。在发射模式下，Tx/Rx开关将调制信号送至移相器，再经过多个放大级：VGA驱动驱动放大器，最后进入功率放大器。对于接收和发射信号，移相器都是阵列波束转向的关键，因此是波束赋形器运行中的重要功能。

图4展示了以倒装芯片形式安装在带连接器的105 × 100 × 5 mm评估板上的八通道EMB芯片，以及尺寸为5.5 × 8 × 0.25 mm的八通道芯片X射线照片。虽然该架构较为常见，但这项开发与竞品方案的区别在于24至44 GHz频率范围内的20 GHz带宽。之所以能够取得这一结果，是因为设计中投入了大量精力，确保Tx/Rx通道的每个功能模块都能在目标频率下实现所需的20 GHz工作带宽。

如表1所示，发射器输出P1dB在宽频率范围内高于+16 dBm。新兴无线调制方案还要求发射通道在保持足够平均射频输出功率的同时，提供高保真宽带调制输出信号。图5展示了在以25 GHz附近为中心的射频载波频率下，采用64-QAM OFDM调制方案发送400 MHz带宽信号时的误差矢量幅度（EVM）和发射器输出功率测量结果。图6展示了以42 GHz为中心的64-QAM信号在同一组测试条件下的结果。

运营商进入毫米波和太赫兹频段，部分原因是为了增加带宽，进而提高数据速率和容量。获得更多带宽的常用技术是聚合多个较小信道。图7展示了在以28 GHz为中心的射频载波频率下，采用64-QAM OFDM调制方案和八分量载波聚合（8-CCA）发送100 MHz带宽信号时的EVM和发射器输出功率结果。图8展示了以40 GHz为中心的射频载波的同一组测量数据。

EMB接收器在不同功率电平和频率间隔下，使用并发宽带调制64-/256-QAM镜像信号进行测试。尽管信噪比降低且频谱重叠扩大，目标信号仍呈现清晰星座图并成功解调：6/12 Gbps的64-QAM信号对应EVM结果分别为−32.56 dB和−27.6 dB；8 Gbps的256-QAM信号EVM为−33.47 dB。如图9所示，当接收器输入仅施加目标信号时，得到18 Gbps的64-QAM信号，EVM值为−26.65 dB。

融合卫星通信与地面网络

卫星通信数十年来一直用于海事和机上连接。新兴低地球轨道星座凭借更低时延以及更低发射功率能力和要求，正在革新连接机会；其广阔的地理覆盖也为应对地面网络限制提供了选择。目前，这些服务需要独立的用户终端。虽然行业开始出现手机直连卫星服务，但这些连接的数据速率仍较低。像Swiftlink及其他公司正在开发的、集成波束赋形器并工作在毫米波频率下的接收器，有望让未来手机连接卫星。

算力与信息容量将革新未来

消费者需求推动数据流量需求，并最终推动无线技术发展。先是语音，然后是数据、互联网，如今是视频。下一个推动数据流量和带宽需求的应用将是AI。目前AI所需的处理和计算能力超出手机处理器的能力。为了向用户提供无缝、实时的AI功能，网络必须承担AI的数据与计算需求。这需要光通信链路的数据速度，或由毫米波和太赫兹技术实现的增强型无线网络。

EMB芯片第1版进入毫米波频段，在成熟主流射频CMOS工艺上实现20 GHz带宽，扩展了传统5G频段的能力并开启新的频段，将预期传输速度大幅提升至最高18 Gbps。EMB芯片架构依赖并行工作的Tx/Rx通道。由于每个Tx/Rx通道驱动一个独立天线单元，大型相控阵波束赋形器拥有许多并行路径，与现代GPU处理器的并行处理方式相似。

结论

毫米波宽带技术正引领传输能力持续进步。这些新兴宽带技术将为包括5.5G、6G和卫星通信在内的下一代通信标准奠定坚实技术基础，也将为地面与非地面网络无缝融合铺平道路，构成高度互联未来的骨干。算力与信息传输容量的同步变革，是推动技术快速演进的双重引擎。