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手持电子设备的硬件射频在5G以及未来的发展趋势

发表时间：2020/11/30 来源：《基层建设》2020年第22期作者：肖霞

[导读] 摘要：消费电子产品，是人类技术进步和市场升级的产物，是为了满足消费者在生活、学习、工作中对沟通、资讯、办事和娱乐等方面的需求，手持电子设备产品是其中的一个主要形式。

        TCL通讯（宁波）有限公司浙江宁波 315000
        摘要：消费电子产品，是人类技术进步和市场升级的产物，是为了满足消费者在生活、学习、工作中对沟通、资讯、办事和娱乐等方面的需求，手持电子设备产品是其中的一个主要形式。近年来，5G的发展势头迅猛，这让通讯设备研发企业面临挑战，同时也看到了机遇。研发以智能手机和智能穿戴设备为主的手持电子设备产品，顺应了高新技术和市场需求发展的趋势。
        关键词：手持电子设备；硬件射频；5G；未来发展
        5G是新一代通信网络系统，其有大带宽、高频率、低时延和大规模设备连接的标志性特征[1]，5G将会带来社会变化，促进物联网的飞速发展[2]。信息化使社会大众的生产生活发生翻天覆地的转变[3]，手持电子设备是一种借助通信网络的消费电子产品，其具有性能多样、应用广泛、技术更新快等特点，需要研发人员根据市场上主要产品、5G网络发展和硬件射频技术，把握未来发展方向。
        1.手持电子设备产品发展现状
        智能手机和智能穿戴设备为主的手持电子设备是5G技术应用的主流和前沿。
        1.1智能手机
        手机是高精密、高集成化的移动通信终端设备，智能手机更是集高科技的软硬件技术为一体，并要与同时期的移动网络系统兼容。如第一代智能手机用于3G无线网络，之后又出现适用于4G、5G网络的手机，未来还会开发6G网络手机。
        随着移动网络的不断升级，手机信号传输速率和信号稳定性提高，由此引发硬件射频、信息结构、容量大幅增长，推动智能手机性能提升。当前，移动网络从4G向5G的过渡，智能手机硬件开发面临着新一轮产业升级。
        1.2智能穿戴设备
        智能穿戴设备是一种将多媒体、传感、识别、无线通信等技术与日常穿戴相结合，而实现用户交互、生活娱乐和健康监测等功能的硬件终端。智能手表、智能手环是市场上的主流产品，是常见的手持电子设备。
        智能穿戴设备是高性能、低功耗的智能终端，其借助传感器与人体进行信息交互，是一种在新通信理念下诞生的手持电子设备，应用广泛，可不断升级。智能穿戴设备促进了人们生活方式智能化、便捷化，这类产品市场空间巨大，由于应用先进的硬件射频技术对产业和产品升级起到关键作用。
        2.手持电子设备的硬件射频在5G的发展趋势
        2.1电路设计
        手持电子设备的体积小，其内部电路系统复杂。工程师需要根据最新的射频技术，对整个RF系统的电路进行系统分析，指导系统设计指标、分配单元模块指标、规范EMC设计原则、提出配附件功能和性能要求。5G是未来智能手持电子设备主要的运行网络，因此，框图和电路设计必须要考虑到网络技术发展的因素。在设计中，围绕实现电路的指标要求，电路能与设备系统匹配，是电路原理设计的目的，做好器件选型与评估。另外，要设计符合要求的PCB。
        2.2软件仿真
        手持电子设备的硬件射频要与软件系统相配套，因此，软件仿真是必须要经历的过程。5G的三大场景（eMBB、mMTC、uRLLC）由传统移动互联网向万物互联新时代，实现由个人应用向行业应用的转变。5G低频单波束进行扇区覆盖，高频多波束扫描覆盖。基于5G网络，射频工程师要学习、使用多种仿真软件，定性分析所设计的产品，为扩展手持电子设备的功能提供依据。
        2.3调试分析
        产品研发阶段调试的重点是发现问题和解决问题，是对设计经验总结的过程。5G的新特征：（1）全频谱接入&大带宽（FR1&FR2）；（2）多头线&波束赋形；（3）灵活帧结构；（4）先进编码&波形；（5）信道：NR中同步、接入、控制信道、数据信道等均基于波束传输，基于波束测量移动性管理。结合5G新特征，通过调试发现新问题，寻求解决方案，为后期设计提供经验，同时调试也是一个实践理论的有效途径。

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        2.4测试方法
        手持电子设备产品的测试是为调试服务的，调试是为设计服务的，设计又是为市场服务的。射频测试仪器主要包括：频谱分析仪、网络分析仪、信号源、示波器、功率计、噪声系数测试仪、综合测试仪等。在5G环境下测试要基于国际标准和国家标准，如2019年完整版标准（R16），首个5G终端core requirements；中国的5G频谱标准：2.51-2.675GHz；3.4-3.6GHz；4.8-4.9GHz；24.25-27.5GHz；37-42.5GHz。R-16终端MINMO OTA测试是先进方法：（1）测试方法-FR1：支持最高4天线MIMO接收性能测试（4*MIMO）；多探头测试方法（MPAC）为参考方案（reference），测试结构与LTE MIMO不同；两阶段法（RTS）为可比拟方法（harmonized）；采用2D信道模型，modified CDL A&C；场景为UMi、UMa。（2）测试方法-FR2毫米波：支持2天线MIMO接收性能测试（2*2MIMO）；静态场景下吞吐量测试-第一优先级；动态波束扫描场景测试-第二优先级；3D信道模型；采用3D-MPAC方案，场景为INO、Umi。
        3.手持电子设备的硬件射频在未来的发展趋势
        3.1 手持电子设备整个行业的未来发展趋势
        随着市场规模扩大、应用范围扩展、产业链逐渐完善、硬件射频技术进一步融合与标准化，基于5G和硬件射频的手持电子设备呈现以下发展趋势。
        （1）手持电子设备智能化水平进一步提升。手持电子设备功能性器件日趋重要，市场需求扩大，以及硬件射频的关键技术应用，必然加快产品向高端发展。
        （2）新材料应用提升手持电子设备的性能。随着5G时代的来临，手持电子设备必须要与之相融合，需要功能日益丰富、运算传输速度提升，新材料、新工艺等应用，能突破设备运行产生的电磁辐射和热的瓶颈，促进产品研发加速。
        （3）对产品的精密度和生产工艺要求提高。手持电子设备的各项功能增加而体积却缩小，要求主板、电路、芯片、电子元件等设计尺寸随之缩小，要求器件精密度不断提高，同时要求生产企业提高生产工艺。
        （4）制造商向生产与服务综合供应商转变。随着产品功能、精密度、生产工艺等提高，下游企业难以提供装配、维修等服务，需要研发和生产企业提供一体化解决方案，促成其向综合服务型高科技企业转变。
        3.2手持电子设备的硬件射频技术的未来发展趋势
        当前，国内外专家普遍认同5G的先进性将主要取决于毫米波频率和大规模MIMO天线的使用，依赖大约28GHz至90GHz范围内的毫米波的使用。
        （1）LTE将能达到Gbit/s的数据速率。手持电子设备也将能使用诸如大规模MIMO等技术在相同频段中收发数据。某些服务超过10Gbit/s的数据速率。
        （2）相对较小的频谱不再实用。大规模MIMO技术将淘汰当前使用的点到点MIMO系统，并且可能消除对小蜂窝基站的需求。
        （3）低成本搭建天线阵列并达到一致性能是一项挑战。特别是当前我国电子行业的高端设备依赖进口和综合性高端开发人才不足，并在技术领域，信息理论和研发团队之间常缺乏基本有效的沟通，造成困难重重。
        （4）新兴大规模MIMO技术是毫米波传输中波束成型技术的关键。在5G网络中，数据可能在宽带毫米波信道上传输，控制信号则走较慢的3G路由，不过，根据技术进步的态势来看，毫米波频率最终会得到应用。
        4.结语
        中美贸易摩擦已持续了一两年，且未出现结束的迹象，这给我国独立开发5G及相关设备提供机遇和挑战。5G时代，多种频谱和技术的整合可给用户提供统一的网络界面。MIMO带来基站天线、射频、PCB变革，高频推动PA技术的变革，新材料、新工艺和新技术既影响手持电子设备的量价，也有望带来供应链的变局。
        参考文献：
        [1]莫文东.基于5G的关键射频技术及其发展的研究[J].广西通信技术，2019（03）：14-17
        [2]湛志杰.5G无线通信关键技术及其发展现状[J].消费导刊，2019（08）：221
        [3]陈进.5G移动通信技术及其发展趋势研究[J].无线互联科技，2020（17）：5-6