宋长城，华浩江，吴 凡 （紫金山实验室，江苏 南京 211111）

摘 要：针对 5G 小基站项目研制需求，基于 5G 通信系统的理论研究和 3GPP 射频性能指标要求，通过 ADS（Ad‐ vanced Design System）仿真软件设计开发了一款 3.5 GHz 频段的射频前端。根据射频前端整个开发流程，对功率放 大器、低噪声放大器、射频开关、滤波器等关键射频组件性能参数进行深入的调研和评估，并提出相应的方案原理图 设计、方案系统链路仿真以及板端测试指标的优化等思路，最终通过板端性能指标的实际测试，各项指标数据均满 足技术要求。

关键词：5G 小基站；射频前端；功率放大器；低噪声放大器；滤波器

Research and design of 5G small base station RF front-end

Abstract：Aiming at the development requirements of 5G small base station project, based on the theoretical research of 5G com‐ munication system and the requirements of 3GPP RF performance indicators, a 3.5 GHz RF front-end is designed and developed by Advanced Design System（ADS）simulation software. According to the whole development process of RF front-end, this paper conducts in-depth research and evaluation on the performance parameters of key RF components such as power amplifier, low noise amplifier, RF switch and filter, and puts forward the corresponding schematic design, system link simulation and optimiza‐ tion of board and end test indicators. Finally, the actual test of board and end performance indicators is passed. All the index data meet the technical requirements.

Key words：5G small base station；RF front-end；filter；low noise amplifier；power amplifier

0 引言 

    随着 5G 通信技术的快速发展，小基站作为宏基站 的补充 ，能够起到弱信号和盲区内的深度覆盖和增强 网络性能的重要作用。除室内网络部署 ，也可满足室 外 非 连 续 性 覆 盖 的 热 点 区 域 以 及 垂 直 行 业 的 应 用 场 景 ，如 矿 山 矿 井 、产 业 园 区 、仓 储 物 流 等[1] 。 射 频 前 端 (RF Front-End, RFFE)作为 5G 小基站的核心组件，在无 线通信环节中主要起到接收和发射信号的作用 ，其性 能和设计优化对整个系统的性能和稳定性至关重要 。 当前，射频前端技术面临诸多挑战，如高频段、高带宽、 低功耗、小型化等，需要不断进行技术创新和研发，以 满足不断增长的数据传输速率、频谱效率和设备便携 性等要求。本文根据 5G 小基站项目开发需求，针对相 应的射频前端进行了方案设计、系统仿真以及产品性 能优化等工作，研发设计出一款低成本、高性能的 3.5 GHz 频 段 时 分 双 工（Time Division Duplexing, TDD）射 频 前端。

 1 小基站射频前端设计

 1.1 5G 小基站射频前端的指标要求

    5G 小 基 站 的 基 本 射 频 指 标 包 括 基 站 输 出 功 率 （Base Station Output Power）、频 率 误 差（Frequency Er‐ ror）、误 差 向 量 幅 度 (Error Vector Magnitude, EVM)、邻 道 泄 露 抑 制 比 (Adjacent Channel Leakage Power Ratio, ACLR)、参 考 灵 敏 度（Reference Sensitivity Level）等 。 100 MHz 带宽、30 kHz 子载波间隔、256-QAM 调制模式 下的 5G 小基站射频前端应满足的主要技术指标如下[2] 。

(1)频率范围：3 400~3 600 MHz 

(2)输出功率：≤24 dBm

 (3)频率误差：±(0.1 ppm+12 Hz) 

(4)EVM：≤4.50% 

(5)ACLR：<-45 dBc 

(6)参考灵敏度：≤-86.6 dBm 

1.2 射频前端的方案评估

    射频前端可以分为发射端和接收端。发射端可以 在发射信号的过程中，将射频收发机（RF Transceiver）输 出端口小信号通过发射链路中功率放大器（Power Am‐ plifier, PA）功 率 放 大 和 公 共 链 路 的 带 通 滤 波 器（Band Pass Filter, BPF）滤波，最终经过天线发送到无线空间。 接收端可以在接收信号的过程中，将来自天线的小信号 通 过 接 收 链 路 中 低 噪 声 放 大 器（Low Noise Amplifier, LNA）放大和带通滤波器 BPF 滤波送到接收机下变频电 路。TDD 是一种通信系统的双工方式，在通信系统中用 于分离接收与传送信道（或上下行链路），其接收和传送 是在同一频率信道即载波的不同时隙，用时间来分离接 收与传送信道，因此一般选择对应频段范围、插损小的 射频开关或者环形器完成小基站上下行信号的时分切 换 。 TDD 模 式 小 基 站 的 射 频 前 端 设 计 框 图[3] 如 图 1 所示。

图 1 TDD 小基站的射频前端设计框图

1.3 射频前端的链路设计

    根据小基站射频前端的设计框图可以看出，整个系 统链路由三部分组成：发射链路、接收链路和公共链路。

    发射链路主要指标为工作频率、输出功率、ACLR、 增益平坦度、噪声、效率和支持带宽等，影响这些指标的 关键器件是功率放大器 PA。根据 3GPP 中 5G 小基站输 出功率≤24 dBm 要求，考虑到 PA 和天线端口之间存在 耦 合 器 、射 频 开 关 和 BPF 等 器 件 的 插 入 损 耗 约 为 0.2+ 0.7+1.9=2.8 dB,因此末级放大器的输出功率至少为 24+ 2.8=26.8 dBm。 支 持 带 宽 应 满 足 100 MHz 工 作 带 宽 ， ACLR 保 证 2 dB 余 量 的 情 况 下 至 少 应 为 -45-2= -47 dBc。增益平坦度的参数选择可保证工作带宽范围 内输出功率的不会有太大的差异。为保证发射链路足 够的增益，还需增加相应的驱动功放，因其功耗不大，所 以通常选择线性余量比较大的功率放大器。如果线性不佳，末级的性能势必会更加恶化。可根据末级功率输 出的功率、增益以及收发芯片的端口输出功率计算出相 应的驱动功放性能指标需求。

    接 收 链 路 主 要 指 标 是 高 接 收 灵 敏 度 和 高 动 态 范 围 ，这 些 和 接 收 链 路 中 的 低 噪 声 放 大 器 LNA 密 不 可 分。LNA 接收到天线端极其微弱的信号，除了高增益 放 大 ，还 要 降 低 它 引 入 的 噪 声 ，因 此 选 择 合 理 的 LNA 级 联 方 案 是 接 收 链 路 设 计 的 关 键 。 根 据 级 联 噪 声 系 数 NF 为：

式中，NFn 为各级器件的噪声系数，Gn 为各级器件的增 益。可见，接收链路中第一级放大器，尽量选择噪声系 数低、增益适中的 LNA，然后级联一个高增益的放大器， 从而保证整个接收链路的接收灵敏度和信号质量[4] 。后 级放大器建议选择具备 Bypass 功能的 LNA，通过使能 信 号 来 控 制 电 路 LNA 状 态 。 输 入 功 率 过 大 时 关 闭 LNA，切换到 Bypass 状态。输入功率过小时打开 LNA， 从而保证接收链路的不同增益，可以有效提高整个接收 链路的动态范围[5] 。另外为防止发射功率反灌到接收 器，损害整个接收链路，建议在第一级 LNA 输入前端和 公共链路之间加一个射频切换开关，从而加大发射和接 收两个链路的隔离度。

    公共链路即发射链路和接收链路的公共通道，链路 的插损不仅影响到天线口的发射功率还影响到接收链 路的噪声系数，因此需要整个链路保证较低的插入损耗 和带外无用信号的有效抑制[6] 。TDD 模式选择射频开 关或环形器，配合低损耗的带通滤波器组成，完成上下 行的时分切换和带外抑制等。鉴于成本考虑，本文选择 了射频开关。但射频开关选择应注意开关切换时间参 数，避免因切换时间过长，造成上下行性能的指标异常。

2 射频前端的系统仿真

    根据射频前端设计方案和链路选择元器件的参数， 使 用 ADS（Advanced Design System）软 件 工 具 ，分 别 对 发射通道和接收通道进行建模和原理图仿真，如图 2 和 图 3 所示，通过上下链路的增益以及上行链路噪声系数 的仿真结果，来判断是否符合预期结果。通过仿真可以 提前弥补设计不足和预判整个链路性能指标，从而提高 工作效率和缩短产品实现周期[7] 。

图 2　发射通道的仿真原理图

图 3　接收通道的仿真原理图

图 4　发射通道仿真增益结果

    发射通道的仿真结果如图 4 所示，小信号增益约为 39.7 dB。对 3 000 MHz 和 4 000 MHz 抑制度约 90 dBc， 有效地抑制了带外杂散。根据收发芯片发射端口功率 -26~6 dBm，以及末级功放线性功率 28 dBm 限制，则输 出信号功率的线性区域为 13.7~25.2 dBm，满足发射功 率指标要求。

    接收通道的噪声系数仿真曲线如图 5 所示，噪声系NF 约 3.1 dB。接收灵敏度为：

式中，Sr 为最大接收灵敏度，单位为 dBm；-174 dBm 为 1 Hz 带宽内的热噪声功率（本底噪声）；BW（Bandwidth） 代表射频前端的系统带宽，由无线系统协议标准定义单 位为 Hz；Eb/N0 为一定误码情况下解调需要的信噪比，单 位为 dB。其中 5G 小基站不同的调制信号类型通过 MQAM 的误码率为：

得到不同的 Eb/N0 值，其中 Pe 是指二进制数据位传输时 的误码率；M 为调制阶数；N 为子信道数量，默认为 1；Eb 为 每 bit 的 能 量 ；N0 为 噪 声 功 率 谱 密 度[8] 。 例 如 256- QAM 调制模式下，假设误码率 Pe=10-5 时，带入公式得到 的 Eb/N0=22 dB。由于 5G 网络中发射带宽的子载波间 隔不同，每一个 PRB(Physical Resource Block)的频率资 源带宽也不同。按照 1 个 PRB 对应 12 个子载波[9] ，选择 30 kHz 的子载波间隔，则每个 PRB 资源带宽 BW 为 12× 30=360 kHz。代入式（2）可以算出 256-QAM 调制时，整 个链路的接收灵敏度为-93.3 dBm，满足设计指标要求。

图 5　噪声系数仿真曲线

3 射频前端的性能测试和优化 

    因元器件个体差异、仿真工具误差、制板工艺的精 度和使用环境应用等因素的影响，仿真结果数据会与实 际产品的性能存在差异，因此还需要在测试验证过程中 不断地调试优化。具体的调试过程主要有阻抗匹配优 化、供电纹波确认、上电时序测量、干扰源分析以及散热 处理等[10] 。最终达到项目的性能指标需求。图 6 为优 化 后 的 发 射 链 路 ACLR 的 测 试 数 据 ，看 出 在 功 率 约 为 24 dBm 的情况下，临道功率泄露抑制比接近-51 dBc， 完全满足设计目标值。 

图 6 5G 小基站射频前端实际测试结果

4 结论

    本文针对射频前端进行了 TDD 模式系统框架、上下行链路各射频组件参数指标以及具体的方案设计进行 了分析研究，选择了低成本、高性价比的元器件，并通过 系统的实际测试验证了其性能指标，均满足要求。该研 究有助于深入探索射频前端的产品开发流程，并将其应 用到实际产品设计研发中 ，有效地提高了项目开发的 效率。

参考文献

 [ 1 ] 胡媛 . 为什么 5G 时代小基站更具优势？[N]. 通信产业 报,2021-08-09(11). 

[ 2 ] Base station (BS) conformance testing (Release 17): 3GPP TS 38.141[S].2023. 

[ 3 ] 韦兆碧,侯建平,王珊,等 .RRU 设计原理和实现[M]. 北 京:机械工业出版社,2018. 

[ 4 ] 张宇晖 . 机载超短波接收机射频前端系统级设计与仿 真 [J]. 电子技术应用,2024,50(1):83-86.

 [ 5 ] 李智群,王志功 . 射频集成电路与系统[M]. 北京:科学出 版社,2008. 

[ 6 ] 郑志彬,林志明,黄勃竣 . 一种提高接收机动态范围电 路 、收 发 机 及 N×N WLAN 射 频 收 发 机 前 端 电 路 : CN201310724684.5[P].2017-05-03.

 [ 7 ] 黄玉兰 .ADS 射频电路设计基础与典型运用[M]. 北京: 人民邮电出版社,2010. 

[ 8 ] PROAKIS J G, SALEHI M. Digital communications 3rd ed[M]. New York: McGraw Hill, 1995.

 [ 9 ] Physical channels and modulation (Release 16): 3GPP TS 38.211[S].2021. 

[10] 周建军,王惠 . 微波射频电路杂波干扰问题技术分析及 改进研究[J]. 机电工程技术,2020,49(7):230-231,237. 

（收稿日期：2024-03-20） 

作者简介：

 宋长城（1980-），通信作者，男，本科，主要研究方向：5G 通 信 理 论 研 究 、5G 小 基 站 硬 件 设 计 ，

华浩江（1994-），男，博士，主要研 究方向：5G 无线通信传输、5G 通信信号 传输、通感一体化。 

吴凡（1989-），男，硕士，工程师，主 要研究方向：5G 小基站软件设计。