基站设备
RF（射频）到数字的低效转换的问题以及连续连接的要求导致了5G基站的散热问题，威胁信号完整性和基站可靠性。
在5G可以大规模商用之前，工程师必须解决一些顽固的问题 - 包括如何使这个热门技术变得冷却下来。
具有5G功能的调制解调器芯片组已经从高通，三星，华为，联发科技，英特尔和苹果公司那里上市或者即将上市，而在美国和韩国已经有一些5G服务（LTE-Advanced / LTE-Advanced Pro），但仍然大部分缺少功能强大，足以形成和引导每个RF连接到覆盖范围内的每个用户，同时执行电磁几何的功能以维持该连接的健壮性和持续性的5G基站。
无线电世界中的基站是将其他无线设备连接到中央处理器中的设备。它是一种无线接收机和短程收发信机，由天线和模数转换器（ADC）组成，可将RF信号转换为数字信号，然后再转换回来。 5G基站将具有波束成形大规模多输入多输出（MIMO）天线 - 一组天线，可以使用毫米波频谱将多个波束同时聚焦和引导到地面上的不同用户目标，例如手机上。有时这意味着将信号从物体上反射到达目标附近，而不是广泛地在一个区域上广播信号。
虽然爱立信，三星，诺基亚和华为现在正在生产5G基站技术，但该技术距离经济地大规模商用之间还存在差距。5G基站仍然不够强大，无法跟踪移动客户，并确保每个基站能在每纳秒连接一次。
混合beamforming架构
为基站开发的内容必须与手机无缝协作。它们还必须足够可靠，可以使用多年，但目前的技术运行得太热了。并且这对可靠性和信号完整性的影响尚不清楚，因为在技术现在可以确定如何测试天线阵列，因为没有暴露在外面的信号和电源引线。而这些天线对于在基站和手机以及其他移动设备（包括联网汽车，健康监测设备甚至工业设备）中对形成，操纵和接收无线电波束来说至关重要。
“如果你将天线嵌入封装中，当封装加热或冷却时，这会改变天线的工作方式，”Advantest美国应用研究与技术部门业务开发副总裁Keith Schaub说。 “这会影响波束形成，波束控制转向，并产生功率损耗。它还影响制造工艺，需要严格控制。“
Schaub指出，基站和手机都是按3GPP标准设计的，但这些标准的实施情况可能差异很大。例如，当两家主要芯片公司开发出他们的第一批5G芯片时，他们都遵守3GPP标准，但由于驱动程序的轻微不一致，这两家公司的芯片就可能不能够相互协作。
（a）全连接架构；(b)部分连接架构
两阶段承诺
尽管有5G这样的绰号，但5G更多的是方向声明而不是单一技术。今天推出的低于6GHz的版本的5G技术更像是4.5G。信号衰减是适度的，这些设备的行为与今天的手机非常相似。但是，当毫米波技术开始推出在5G上应用时，目前的预测是2021年或2022年 - 一切都发生了显着的变化。这片频谱非常敏感，可以被衣服，皮肤，窗户，有时甚至是雾气和水汽所阻挡。
结果是需要更多的天线单元来保持设备连接，并且基站和手机将不断寻找保持连接的方式。任何拥有手机的人都知道，搜索信号可以更快地耗尽电池电量。但它也使逻辑电路保持活动状态，并产生热量。在装有机架的基站中，热积聚会引起各种各样的问题。它会对信号完整性产生影响，并且会缩短所有组件的使用寿命。
ETS-Lindgren技术开发总监Michael Foegelle表示，“当你工作在信号的传播质量不如传统的蜂窝发射塔的频率范围中时，你必须为网络增加更多的基站密度才能获得相同数量的连接。” “当你设计这些基站时，你必须假设它们会在户外工作，你必须设计一种方式来消散所有这些热量。既然这些基站设备工作在室外并且不想冒着主动冷却的风险，那么你可能需要处理很多问题，并且这意味着需要大量的环境冷却，“
另一个热源来自用于产生RF信号的模拟电路。需要功率放大器和转换器将模拟信号传输到数字网络上。但是使用硅晶体管进行转换时效率不高，因此会产生热量。虽然理论上波束成形可以节省功率，因为你不是在各个方向广播，但这种技术增加了它自己引发的新问题。
“首先，你需要足够的硬件来完成你必须要处理的数字到模拟转换的数量，而且成本仍然过高，”Foegelle说。 “但它也是耗电的。阵列天线处理的副作用之一是用于它们的电路不是非常有效的。它们变热了，由于设备和转换的数量以及效率问题，你必须能够消散大量的热量。“
目前尚不清楚这项技术是否会被数字技术所取代。目前还不清楚数字技术如何影响热效应，特别是如果将设计推向最先进的工艺和几何结构形状设计。
“5G标准允许两者兼有，”National Instruments的首席营销人David Hall说。 “模拟电路效率较低，会在基站产生更多热量。使用数字波束时，波形本身会发生变化，尤其是多次访问时。所以你必须调整载波波形的相位。“
混合Beamforming的系统模型
Hall指出，热量会加剧非线性效应。 “如果发热了，那么发射机的失真就不那么具有重复性了。”
这使得识别任何与热有关的问题变得更加困难。一种解决方案可能涉及测试本身。 “从历史上看，我们一直在使用盒式仪器，”NI的市场开发经理Heath Noxon说。 “现在你必须更快地完成这项工作并更快地进行测试。”
不同的材料也可以提供帮助，但它们会增加成本。 “使用GaN或GaAS可以提高效率，与硅相比可能能够实现60％或70％的转换效率，效率更高，效率提高20％到30％，但这些器件的效率更高，也更昂贵，”Foegelle说。
如果有足够的体积用于氮化镓（GaN）或砷化镓（GaAs），那么就可以解决这个问题，从而开始实现规模经济。这两种材料都很好理解，并且在工作方面有很多专业知识。 “工程师们花了20年的时间来优化砷化镓功率放大器的效率，”NI的 Hall说。
“但问题可能并不像听起来那么大，”Foegelle说。 “对于毫米波，带宽足够高，您不必花太多时间进行通信。它移动迅速，可以最大限度地减少热量积聚，并减少您需要广播的能量。但是，在我们能够看到更多关于基站的实际工作之前，我们不会知道这一点。“
量的问题
发热只是5G世界中出现的众多问题之一。这是一种完全不同的无线技术，特别是涉及毫米波时。根据Cadence产品管理高级组主任Frank Schirrmeister的说法，技术和服务提供商试图进入并经常创建新方法，造成5G行业的压力非常大，很少有工具可以在过程中尽早测试和验证任何单独的组件。
这对于处理高发热量尤其重要，因为高发热量会影响组件的使用寿命。热效应可以加速电迁移，影响性能，并产生可能影响质量的噪音。但是工程师们刚刚开始使用这些技术，而且还不清楚还有什么问题可能会出现。
图
上图：用于5G波束成形演示的R＆S多端口网络分析仪ZNBT20，其中被测器件是ADI公司的评估板。来源：半导体工程
“如果工程师习惯于在这些早期的蜂窝应用中以较低的频率工作，然后他们过渡到更高频率的5G工作时，突然所有的规则都变得更严格，所有的旧的经验法则都不再适用了，而你必须做更彻底的设计，“Rohde＆Schwarz的应用工程师Mike Leffel说。 “这是一个更具挑战性的设计。组件在频率较高的情况下不能像以前那样在较低频率下工作，因此您必须重新学习如何制作功能良好的产品。一切都变小了。波长变小。调整路径相位的能力更加困难，因为现在波长很小，因此波长的微小变化可能是有10度的相位差异，而不是低频率的1度差异。“
罗德与施瓦茨最近开始为期一天的培训会议，以帮助工程师了解这些问题。但对于Leffel来说，为5G领域培训工程师是“我们拥有的客户面临的最大挑战之一。他们必须重新考虑事物在更高频率下的工作方式。我所看到的是有人说'我曾经在6GHz做过这个，我甚至不需要校准电缆。我会把它连接上，这已经足够了。现在，当我在40GHz时，当我这样做时，它失败了。一切都失败了，我必须做这个校准。当我校准时，它仍然无法正常工作。而那个从Rohde＆Schwarz的人进来说你必须使用扭矩扳手才能做到这一点。我以前从来没有使用扭矩扳手。“是的，但你以前从未在40GHz工作过。现在一切都很敏感。这是一款价格更高，质量更好的40GHz电缆。你不能再使用那种便宜的电缆了。你必须每天校准而不是每周校准一次。您必须担心该线的长度和插入损耗，因此在该板上有一个额外的PCB走线，因此您可以测量该线中的损耗量，然后从结果中减去它，以便在测量路径在这里时，你可以纠正那条PCB走线。在低频率下，您不必这样做。在高频率下，该跟踪对于准确了解器件性能至关重要。因此，以前你不必做的所有这些事情突然变得很重要，如果没有人告诉你这个，那么你怎么知道呢？“
毫米波技术并不新鲜，以前在卫星通信或雷达中已经解决了毫米波中的许多网络问题。然而，Cadence的Schirrmeister表示，一颗卫星与数十万个WLAN级接入点之间的成本差异足以改变成本/收益方程，因此没有太多的可以直接比较的东西。
5G标准也在不断更新。 “对于毫米波，我们谈论的是大约一厘米的波长，因此天线也非常小，每个用户使用两个 - 一个上行，一个下行，”Foegelle说。 “但对于基站，我们只有少数厂商推销它们。今年晚些时候还有另一个版本的标准出现，所以那里存在一些不确定性。我们正在让运营商进入并尝试弄清楚他们网络上的传播特性将会是什么样子以及他们可以期望在现场看到哪些类型的问题，但产品分销的价格仍然相当高你将不得不放弃密度更像是一个WiFi接入点，而不是一个蜂窝小区发射塔。“
Synopsys Verification Group的工程副总裁Susheel Tadikonda指出，最好用5G等技术保持简单，即使在标准或第一轮实施完成和验证之前构建和测试也非常复杂。 “PHY层变得非常复杂。您需要高带宽，低延迟要求意味着您必须在PHY层本身进行大量处理。我们曾经有过奢侈品，可以通过算法将其发送出去。你正在做的是将逻辑从一个部分移动到另一个部分。您仍然需要转换模拟无线电波。以数字方式进行可能更有效，但在5G中，您没有12或14个调制解调器，而是有数百个天线进行波束成形。它比4G复杂得多，而且过渡到5G比向4G过渡更复杂。“
混合设计
但是，有充分的理由坚持使用混合方法。所有或几乎所有工作在6GHz以下的RF基站都使用数字波束成形，因为它比模拟功率和热效率更高。根据麻省理工学院2018年加利福尼亚大学圣地亚哥分校工程学教授兼高频通信和相控阵设计方面的专家Gabriel M. Rebeiz的演讲，在频率高于6GHz的情况下，转换所需的滤波器占用太多数字空间。
根据Redeiz的说法，混合设计使用模拟信号用于射频和数字用于网络，这是专门研究毫米波和主要是在地面对高频带宽需求增长之前的那些问题上的卫星通信雷达和过去二三十年代其他5G类似应用中使用的最常见的拓扑，通信方法。
基于Butler矩阵的混合beamforming架构
根据加拿大安大略省的皇家军事学院研究员Mostafa Hefnawi发表的一项分析，混合模型的计算复杂程度也不如数字，但阵列更大，这使得数字波束成形更具吸引力，因为设备和天线的尺寸缩小了。
Cadence的杰出工程师Gilles Lamant说：人们正在谈论很多方法来混合和匹配频率，协议和设备，以其他方式提供5G的大量价值，特别是对于那些不一定需要微秒延迟和10,000 Gbit / sec无线网络连接的人来说。
“人们正在谈论将RF放在光纤上，但是将模拟RF高速交叉到数字上可能会导致严重的热量问题。 Lamant说，尽管如此，对于速度较慢的无线接口，甚至是5G所覆盖的较小地理区域，这些都可以让所有RF数据直接进入网络数字域。 “这里的关键是能源效率，因此您可以将RF发送到光纤而不先进行转换，这样可以节省资金和时间。您可以稍后转换它或将该信号直接传输到另一个RF域上。这是一个像科幻小说一样的想法，你需要在一定距离之后将更多的能量投入到连接中，而不是通过沉重的慢速同轴电缆发送数据，但需要权衡成本和能量。“
接入链路的Beampattern
图：接入链路的Beampattern：（a）建议的HBF，4个RF链; （b）全数字波束成形（最佳）。
回程链路的Beampattern：
图：回程链路的Beampattern：（a）建议的HBF，4个RF链; （b）全数字波束成形（最佳）。
结论
过分依赖人们使用智能手机的想法意味着忽略了许多其他应用。分析提供商或物联网网络所有者可以发现连接到5G接入点与需要即时高速访问移动视频的公司一样具有吸引力，但使用双向高清流的公司使用5G接入点背后的物理网络与物联网网络分批向云发送大块数据有很大不同。
Schirrmeister说：“如果你关心的是你发布Instagram照片的速度有多快，那么就会比你想要连接的平方公里有100,000个设备的情况更令人担忧。”
此时还有许多其它未知数。发热只是一个问题，虽然它是一个重要问题。但是如何解决这个问题可能取决于许多其他因素，从基站的数字化程度到基站和基站的密度以及毫米波频率。在这一点上，5G有很多技术研究的动力，但是有很多变量可以对这种无线技术的推出方式，工作效果以及持续时间产生重大影响。
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