如圖1所示，m個資料流程的組合分割到n條RF路徑上以形成自由空間中的波束，故天線元件總數為乘積m×n。數位串流可透過多種方式組合，既可利用高層MIMO將所有能量導向單個使用者，也可利用多用戶MIMO支援多個用戶。
視應用決定RFIC整合度和製程選擇
本文將檢視一個簡單的大規模天線陣列範例，藉以探討毫米波無線電的最優技術選擇。現在深入查看毫米波系統無線電部分的方塊圖，可以看到一個經典超外差結構完成微波訊號到數位訊號的變換，然後連接到多路射頻訊號處理路徑，這裡主要是運用微波移相器和衰減器實現波束成形。
傳統上，毫米波系統是利用分離元件所建構，導致其尺寸較大且成本較高。這種系統裡面的元件使用CMOS、SiGe BiCMOS和GaAs等技術，使每個元件都能得到較優的性能。例如，資料轉換器現在採用CMOS製程開發，使取樣速率達到GHz範圍。上下變頻和波束成形功能可以在SiGe BiCMOS中有效實現。根據系統指標要求，可能需要基於GaAs功率放大器和低雜訊放大器，但如果SiGe BiCMOS能夠滿足要求，利用它將能實現較高的整合度。
對於5G毫米波系統，業界希望將微波元件安裝在天線基板背面，這要求微波晶片的整合度必須大大提高。例如，中心頻率為28GHz的天線的半波元件間距約為5mm。頻率越高，此間距越小，晶片或封裝尺寸因而成為重要考慮因素。理想情況下，單波束的整個方塊圖都應當整合到單個IC中；實際情形中，至少應將上下變頻器和RF前端整合到單個RFIC中。整合度和製程選擇在某種程度上是由應用決定的，在下面的範例分析中將會提到這一點。
運用SiGe放大器減輕RFIC置入天線元件難度
此分析考慮一個典型基地台天線系統，EIRP要求為60dBm。假設條件如下：
．元件增益=6dBi(瞄準線)。
．波形PAPR=10dB(採用QAM的OFDM)。
．P1dB時的功率放大器PAE=30%。
．發射/接收開關損耗=2dB。
．發射/接收工作週期=70%/30%。
．資料串流數量=8。
．各電路模組的功耗基於現有技術。
該模型是建立在八組資料串流的基礎上，連結到不同數量的RF鏈上。模型中的天線數量以八的倍數擴大，最多512個元件。圖2顯示功率放大器線性度隨著天線增益提高而變化的情況。
須注意的是，由於開關損耗，放大器的輸出功率要比提供給天線的功率高2dB；當給天線增加元件時，方向性增益隨著X軸對數值提高而線性提高，因此，各放大器的功耗要求降低。
為了便於說明，文中在曲線上疊加了技術圖，指示哪種技術對不同範圍的天線元件數量最佳。須注意不同技術之間存在重疊，這是因為每種技術都有一個適用的值範圍。另外，根據製程和電路設計實踐狀況，具體技術可以實現的性能也有一定範圍。
元件非常少時，各鏈需要高功率PA(GaN和GaAs)，但當元件數量超過200時，P1dB降到20dBm以下，處於矽製程可以滿足的範圍。當元件數量超過500時，PA性能處於當前CMOS技術就能實現的範圍。
現在考慮元件增加時天線Tx系統的功耗，如圖3所示。同預期一樣，功耗與天線增益成反比關係，但有一個限值。超過數百元件時，PA的功耗不再占主導地位，導致效益遞減。
整個系統的功耗如圖4所示(包括發射器與接收器)。如預期一樣，接收器的功耗隨著RF鏈的增加而線性提高。若將不斷下降的Tx功耗曲線疊加在不斷上升的Rx功耗曲線上，會觀察到一個最低功耗區域。
本例中，最低值出現在大約128個元件時。回顧圖2出示的技術圖，要利用128個元件實現60dBm的EIRP，最佳PA技術是GaAs。
雖然使用GaAs PA可以實現最低的天線功耗和60dBm EIRP，但這可能無法滿足系統設計的全部要求。前面提到，很多情況下要求將RFIC放在天線元件的λ/2間距以內。使用GaAs發射/接收模組可提供所需的性能，但不滿足尺寸約束條件。為了利用GaAs發射/接收模組，須要採用其他封裝和布線方案。
優先選擇可能是增加天線元件數量以使用整合到RFIC中的SiGe BiCMOS功率放大器。圖4顯示，若將元件數量加倍，達到約256時，SiGe放大器便能滿足輸出功率要求。功耗的增幅很小，而且可以把SiGe BiCMOS RFIC放到天線元件(28 GHz)的λ/2間距以內。
將這一做法擴展到CMOS，發現CMOS也能實現整體60dBm EIRP，但從技術圖看，元件數量還要加倍。因此，這種方案會導致尺寸和功耗增加，考慮到電流技術限制，CMOS方法不是可行的選擇。
考慮訊號鏈/IC製程優勢確定最佳方案
因此，本文分析建議，若同時考慮功耗和整合尺寸的話，當前實現60dBm EIRP天線的最佳方案是將SiGe BiCMOS技術整合到RFIC中。然而，如果考慮將更低功耗的天線用於CPE，那麼CMOS當然是可行的方案。
此一分析是基於當前可用技術，但毫米波矽製程和設計技術正在取得重大進步。我們預計未來的矽製程會有更好的能效和更高的輸出功率能力，將能實現更小的尺寸並進一步優化天線尺寸。
隨著5G的到來日益臨近，設計人員將持續遇到挑戰。為毫米波無線電應用確定最佳技術方案時，考慮訊號鏈的所有方面和不同IC製程的各種優勢是有益的。
