对于天线设计来说，一个明显趋势就是从被动天线系统(PAS)向高端或主动天线系统(AAS)过渡。这种转变不仅发生在地面通信，在卫星、航空航太和感测应用领域也是如此。
对于天线设计来说，一个明显趋势就是从被动天线系统(PAS)向高端或主动天线系统(AAS)过渡。这种转变不仅发生在5G/6G和Wi-Fi等地面通信领域，在卫星、航太和感测应用领域也是如此。
对于某些应用案例，特别是军事/国防、航太和星载通信(space-borne communication)和感测，所需的发射功率水准已经超过了绝大多数半导体技术的能力。同时，对于许多较新涌现的用例，一些新型天线以前曾被认为不是功率太低，就是不太实用。如今随着AAS的进展和一些半导体技术整合度的提高，为这些新型天线的设计应用打开了大门。
主要的AAS发展趋势可能是由5G/6G技术发展驱动，这些技术中部署了具有数十个甚至超过100个天线单元的极为复杂的AAS。与较不复杂和更传统的通信和感测用例(例如具有稀疏和广泛分离基站的异质蜂窝通信)相比，复杂程度和元件数量达到如此水准后，则更加强调紧凑性、效率和可整合性。
图1：AAS信号链包括PA、LNA和其他RF元件。
(来源：Techplayon)
现代AAS设计通常具有多重输入多重输出(MIMO)和/或波束控制能力，这要求RF前端(RFFE)硬体至少是天线单元的子集，在某些情况下，每个天线单元可能有不同的RFFE信号链。这意味着，对于现代AAS解决方案来说，每个天线即便是没有几十个RFFE信号链的话，至少也有几个。这些信号链中的每一个可以由功率放大器(PA)、低杂讯放大器(LNA)、移相器、可变衰减器、开关、环形器/隔离器、滤波器、合成器/功率分配器，以及可能的混频器和振荡器组成。
对于更特殊的AAS，意味着RFFE硬体元件数量可能多达数百个，这取决于MIMO通道的数量、天线单元和AAS的具体设计。如果用离散元件实现的话，这些信号链的设计本身将占用很大空间，成本也很高，并且由于连接器和传输线的RF损耗，导致效率也很低，这使得故障排除极其困难。比较合理的升级改进是用板级硬体来实现现代的AAS。板级AAS解决方案目前已很常见，但这些解决方案通常无法满足效率、结构形状或成本方面的要求。
AAS下一个设计追求是在大规模半导体制造基础上，建构更高整合度的解决方案。尽管这些高度整合的解决方案仍然内建于AAS中，并使用标准电路板技术，但采用整合度更高的元件，可以显著减少RFFE硬体的占位面积。此外，更高整合度的解决方案还可以节省总体成本，并成为毫米波(mmWave)通信和感测解决方案的一个优异特性。
图2：用于5G网路的毫米波RFFE解决方案，透过采用简化片上校准和数位校正的模组化方法，简化了AAS设计配置。
(来源：pSemi)
半导体领域的这些趋势和转变的一个很好例子是5G新无线(New Radio，NR)毫米波系统和基站的实现。5G NR的最新3GPP版本，除了低于6GHz的FR1频段之外，还分配了从24.25~52.60GHz (FR2-1)和52.60~71.00GHz的毫米波频段。为了实现毫米波mMIMO基站的必需性能，需要更多的RF链路，所需的TX和RX链路可能多达256条。
为了保持合理的尺寸、重量和功率效率，人们普遍认为，实现毫米波mMIMO基站的唯一方法，是采用更高整合度(相对于6GHz以下频段MIMO技术而言)。这些技术要求以紧凑和高效的方式与大功率PA进行高度整合。另外还要求RF线路之间具有高隔离度，以及具有低插入损耗(IL)和高隔离度的TX/RX之间的良好切换性能。
绝缘体上硅(SOI)和砷化镓(GaAs)技术适用于毫米波mMIMO基站中的许多元件，而其他技术功率太低、成本也太高，或者根本不属于传统蜂窝基站的典型供应链。GaAs和GaN是高输出功率PA的最佳选择，而硅锗(SiGe)和SOI是所需输出功率为20dBm左右的毫米波mMIMO应用的较好选择。
由于CMOS的频率和输出功率性能相对较差，对于此类应用来说是不太好的选项。然而，对数位基频而言，CMOS的可整合性最好，而SOI技术的可整合性名列第二，其次是SiGe。与其他半导体技术相比，SOI在隔离性能方面表现出色。众所周知，与GaN和GaAs相比，SOI开关具有优异的IL性能和功率承受能力。因此，SOI可能是实现高整合度毫米波mMIMO模组的最佳选项之一。
由于GaAs和GaN均由III-V半导体技术制成，缺乏与CMOS技术或其他硅基技术整合的既定路径，因此被认为是最不可整合的。然而，为了增强GaN和GaAs技术的可整合性，已涌现大量的实质性研究和开发成果，因此在同一晶片中完全可以实现高频RF和高速数文书处理技术的高度整合。
更复杂的AAS以及更高频率通信和感测技术的发展趋势，可能会导致RFFE中用于这些应用的半导体解决方案的改变。这一改变将使一些应用转向采用更多单元的AAS设计，设计中使用更易整合的低功率半导体(如SOI)技术。此外，还将进一步开发更易整合的GaAs和GaN技术。
(参考原文：Active antenna systems reshaping RF front-ends，by Jean-Jaques (JJ) DeLisle)
本文同步刊登于《电子工程专辑》台湾版杂志2023年4月号
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