5G手机的发射功率

5G手机的发射功率

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随着5G网络的建设，5G基站成本高，尤其是能耗大的问题已广为人知。

以中国移动为例，为了下行支持高速率，其2.6GHz的射频模块就要求64通道，最大320瓦发射功率。

而与基站通信的5G手机，由于和人体的接触过于密切，“辐射危害”的底线必须严防死守，因此只能戴着镣铐起舞，发射功率严格受限。

4G手机的发射功率，就被协议限制为最大23dBm（0.2瓦），这个功率虽说不大，但4G的主流频段（FDD 1800MHz）频率较低，传播损耗相对较小，用起来倒也问题不大。

5G的情况就复杂一些。

首先，5G主流的频段是3.5GHz，频率较高，传播路损大，穿透能力差，同时手机能力弱，发射功率小，因此上行容易成为系统瓶颈。

再者，5G以TDD模式为主，上下行是分时发送的。一般情况下，为了保证下行容量，分给上行的时隙较少，约占30%左右。也就是说，TDD模式下的5G手机仅有30%的时间发送数据，这就进一步降低了平均发射功率。

并且，5G的部署模式灵活，组网复杂。

在NSA模式下，5G和4G通过双连接的方式同时发送数据，一般5G为TDD模式，4G为FDD模式，如此一来，手机的发射功率应该为多大？

在SA模式下，5G不但能以TDD或者FDD单载波发射，还可以把这两种模式的载波聚合起来，和NSA的情况类似，手机就要在两个不同频段，TDD和FDD两种模式下同时发送数据，发射功率应该为多大呢？

另外，如果是5G的两个TDD载波聚合，手机发射功率又应该多大呢？

3GPP考虑地很周到，为终端定义了多个功率等级。

在Sub6G频谱上，功率等级3，大小为23dBm；功率等级2，大小为26dBm；功率等级1，理论上功率更大，目前还没有定义。

毫米波频段因频率高，传播特性和Sub6G不同，使用场景更多考虑固定接入或者非手机使用，标准为毫米波定义了4个功率等级，且对于辐射的指标限制较宽。

目前5G商用以Sub6G频段下的手机eMBB业务为主，下文将主要聚焦于此场景，针对主流的5G频段（如FDD n1，n3，n8等，TDD n41，n77，n78等），分六种类型来描述。

1.5G FDD （SA模式）：最大发射功率为等级3，即23dBm；

2.5G TDD（SA模式）：最大发射功率为等级2，即26dBm；

3.5G FDD + 5G TDD CA（SA模式）：最大发射功率为等级3，即23dBm；

4.5G TDD + 5G TDD CA（SA模式）：最大发射功率为等级3，即23dBm；

5.4G FDD + 5G TDD DC（NSA模式）：最大发射功率为等级3，即23dBm；

6.4G TDD + 5G TDD DC（NSA模式）：R15定义的最大发射功率为等级3，即23dBm，R16版本可支持的最大发射功率为等级2，即26dBm。

通过上述6种类型，我们可以看出以下特点：只要手机的工作模式出现FDD，则最大发射功率只能为23dBm，而在独立组网TDD模式下，或者非独立组网4G和5G都是TDD模式时，最大发射功率可以放宽到26dBm。

那么，协议为什么对TDD如此关爱？

众所周知，无线通信对人体所造成的电磁辐射是否有害，业界一直众说纷纭，但为了安全起见，手机发射功率必须严格限制。

目前，各个国家和组织制定了相关的电磁辐射暴露健康标准，将手机的辐射严格限制在一个很小的范围内。只要手机遵守这些标准，就可以认为是安全的。

这些健康标准都指向了一个指标：SAR，专门用于手机等便携通信设备近场辐射对人体健康影响。

SAR的全称是Specific Absorption Ratio，中文意为“比吸收率”。其定义为“人体的一部分组织，平均一秒钟时间会吸收多少手机发出的电磁波能量”，单位为W/kg。

中国的国标借鉴了欧洲的标准，明确规定：“任意10克生物组织、任意连续6分钟内的平均比吸收率（SAR）值不得超过2.0W/kg”。

也就是说，这些标准评估的是一段时间内手机产生电磁辐射的平均值，短时间功率内高一点，但只要平均值不超标就问题不大。

如果在TDD模式和FDD模式最大发射功率均为23dBm，但FDD模式的手机是一直在发射功率的，而TDD模式的手机一般只有30%的时间发射功率，因此TDD的总体发射功率要比FDD小约5dB。

因此，给TDD模式的发射功率补偿3dB ，正是在满足SAR标准的前提下，拉齐TDD和FDD之间的差异，它们最终平均下来的发射功率都可达到23dBm。

 

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5G射频收发机的发射功率

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当设计4G或5G的Transceiver时，最基础的指标之一就是功率的大小了，Transceiver的输出功率应该达到多少才是合适的呢？下面我们来逐步分解。

1. 看协议——需求导入

1.1 最大输出功率

在3GPP协议的TS38.101 [NR; User Equipment (UE) radio transmission and reception; Part 1: Range 1 Standalone] 中规定了用户终端的射频发送和接收的指标，其中在Table 6.2.1-1: UE Power Class中规定了UE的最大发送功率，在Release17里面，最大的输出功率为Class1=31dBm，另外还有class1.5=29dBm，class2=26dBm。

虽然n41要求输出功率很大，但实际上这个并不是针对手机类终端的要求，而是在公共安全领域应用时的要求。针对手机类终端最大的输出功率就是Class1.5=29dBm。

TS38.101 UE最大输出功率

注意，在这里规定的输出功率是针对UE整个终端来说的，以n41为例，最大输出功率是29dBm，通常在n41上会有上行2×2 MIMO的要求，那么平均到每个发送链路上，最大的输出功率就是： 29𝑑𝐵𝑚−3𝑑𝐵=26𝑑𝐵𝑚 ，也就是说单个天线口的输出功率最大为26dBm。

1.2 最小输出功率

在38.101中的章节6.3中规定了输出功率的动态范围：

UE最小输出功率

在上表中我们看到，对于带宽20MHz以内要求最小输出功率为-40dBm。带宽大于20MHz时，最小输出功率的要求随带宽而变化。

如，当BW=50MHz，SCS=15kHz时，要求的最小输出功率为：

𝑃𝑚𝑖𝑛=−40+10𝑙𝑜𝑔10(𝐵𝑊/20)=−40+10𝑙𝑜𝑔10(50/20)≈−40+3.98=−36.02𝑑𝐵𝑚

从上式中我们看到，当工作带宽增加到大于20MHz时，3GPP放宽了对最小输出功率的限制，功率可以大于-40dBm。

另外，考虑上行MIMO的场景，单射频发送链路的输出功率最小应该为： −40𝑑𝐵𝑚−3𝑑𝐵=−43𝑑𝐵𝑚

1.3 确定功率范围

从前面的分析我们知道，在上行2×2 MIMO的情况下，射频单链路的发射功率为： −43𝑑𝐵𝑚∼+26𝑑𝐵𝑚 。

在上行单天线的情况下，射频单链路的发射功率为： −40𝑑𝐵𝑚∼+23𝑑𝐵𝑚 。

按照这个范围是不是就可以确定Transceiver的指标了呢？

并不是，单纯的功率范围对我们来说没有任何意义，输出功率跟我们的发送的波形、带宽、频段等都是相关的。终端是否符合3GPP规范，最终是以能否通过认证测试为准的，对于输出功率而言，我们还应该知道认证测试的测试项是如何测试的，关于这方面的规定在TS38.521的章节6.2中有详细说明，在Table 6.2.1.4.1-1中列出了详细的测试环境配置项，其中包括工作温度、工作电压、工作频率、工作带宽、SCS、调制方式等。

TS38.521 UE输出功率测试配置

知道了详细的功率要求，下一步我们就可以进行指标的分解了，这里我们就按照QPSK波形@n28频段进行分析。

2. 指标分解

2.1 确定射频电路的架构

随着无线通信技术的发展，射频前端的集成度逐步提升，当前主流的5G射频前端解决方案是Phase7/7L和Phase5N，下面我们就以Phase5N为例进行设计。

首先，要理出射频架构图，方便我们后面进行分析：

射频发送链路架构图

在上图中我们可以看到，从Transceiver的Tx Port到天线接插件的射频链路上主要有以下几个器件：

• 功率放大器（PA）
• 开关（Switch）
• 滤波器（Filter）
• 耦合器（Coupler）

在进行指标分解的时候，就需要从这几类器件的插损或增益入手，下面我们逐步分析。

2.2 功率放大器

国内外的RFFE厂商很多，对应的PA产品也很多，就5G PA而言，基本上都能达到如下指标：

，𝐺𝑎𝑖𝑛𝑚𝑎𝑥=29𝑑𝐵，𝑃𝑟𝑎𝑡𝑒𝑑=29𝑑𝐵𝑚 ；

𝐺𝑎𝑖𝑛𝑚𝑖𝑛=20𝑑𝐵 ;

注意，这里的增益和最大输出功率是PA模组的输出端的指标，在PA模组内部的纯PA的增益和功率是要大于这个数值的，但经过开关后会有一定的插损，导致从整个模组来看增益和输出功率就没那么大了。

2.3 滤波器

对于滤波器，我们比较关注的是滤波器的插入损耗和带内纹波，一般来说，不同频段的滤波器的插损和纹波是不同的，以Murata的滤波器为例，下图是Band28和Band1的滤波器的Tx特性：

滤波器的参数

在这里我们采用band28的数据，那对应的滤波器的参数就是：

，𝐼𝐿=2.5𝑑𝐵，𝑅𝑖𝑝𝑝𝑙𝑒=2.2𝑑𝐵

2.4 天线切换开关

天线开关模组的内部包含很多个开关，这些开关可以工作在不同的频段上，但是通常他们在不同频段的特性也不相同。

一个典型的天线开关模组

在这里我们通常选取的天线开关模组的插损最大值，这里我们就以 𝐼𝐿=1.5𝑑𝐵 为准。

2.5 功率耦合器

为了能够精确的控制Tx的功率，一般会在靠近天线端口的位置放置一个功率耦合器，将Tx的功率耦合到Transceiver的观测链路，这样我们就形成了一个功率控制的回路，就可以精确的控制Tx在天线端口的输出功率了。

一般来说，耦合器的插损很小，这里我们简单的以 𝐼𝐿=0.5𝑑𝐵 进行计算。

2.6 指标拆解

我们把射频的链路进行简化，就是如下这样：

Tx功率分解

在上图中，我们看到天线端口的输出功率：

𝑇𝑥𝑃𝑜𝑤𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒𝑛𝑛𝑎=𝑇𝑥𝑃𝑜𝑤𝑒𝑟𝑇𝑅+29𝑑𝐵−2.5𝑑𝐵−1.5𝑑𝐵−0.5𝑑𝐵

那么知道了天线口最大功率 23𝑑𝐵𝑚 ，对应的TR的最大输出功率就可以算出是：

𝑀𝑎𝑥𝑇𝑥𝑃𝑜𝑤𝑒𝑟𝑇𝑅=23𝑑𝐵𝑚+0.5+1.5+2.5−29=−1.5𝑑𝐵𝑚

TR的最小输出功率就是：

𝑀𝑖𝑛𝑇𝑥𝑃𝑜𝑤𝑒𝑟𝑇𝑅=−40𝑑𝐵𝑚+0.5+1.5+2.5−20=−55.5𝑑𝐵𝑚

这样TR输出功率就是： −55.5𝑑𝐵𝑚∼−1.5𝑑𝐵𝑚

考虑不同厂商、不同批次的器件存在差异性，另外还需要考虑高低温环境下的影响，因此一般需要预留一些余量，如果我们预留5dB的余量，那么TR的输出功率就应该是：

−60.5𝑑𝐵𝑚∼3.5𝑑𝐵𝑚

 

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