毫米波與5G的淵源，毫米波正面臨的一些囧境

今年，毫米波技術(shù)得到外界的格外關(guān)注，其緣由在于毫米波在眾多領(lǐng)域內(nèi)都可帶來(lái)廣泛應(yīng)用和突破性進(jìn)展。但就目前而言，毫米波技術(shù)并未達(dá)到完全成熟，在進(jìn)階發(fā)展的道路上任存在一定挑戰(zhàn)。本文中，將為大家列舉毫米波技術(shù)正面臨的一些阻礙，一起來(lái)了解下吧。

5G標(biāo)準(zhǔn)對(duì)射頻影響較大，需要一系列新的射頻芯片技術(shù)來(lái)支持，例如支持相控天線的毫米波技術(shù)。毫米波技術(shù)最早應(yīng)用在航空軍工領(lǐng)域，如今汽車?yán)走_(dá)、60GHz Wi-Fi都已經(jīng)采用， 5G也必然會(huì)采用。

運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備廠商和芯片廠商正在齊心協(xié)力地推動(dòng)第五代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)(即5G)的制定。5G是現(xiàn)在4G(也稱為長(zhǎng)期演進(jìn)項(xiàng)目，Long term evolution，即LTE)移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的下一代，5G數(shù)據(jù)傳輸速率可超過(guò)10Gbps，是現(xiàn)在LTE標(biāo)準(zhǔn)的100倍。而目前，5G技術(shù)已成為現(xiàn)實(shí)。

Anokiwave、博通、英特爾、Qorvo、高通、三星以及其他不斷涌現(xiàn)出來(lái)的廠商，正在開發(fā)5G芯片。

現(xiàn)在的LTE網(wǎng)絡(luò)工作頻率從700MHz橫跨至3.5GHz，5G網(wǎng)絡(luò)則不僅要兼容LTE網(wǎng)絡(luò)，還須支持公用免費(fèi)(unlicensed，設(shè)備廠商不需要購(gòu)買許可費(fèi)用)或毫米波頻段(注：目前毫米波波段基本免費(fèi)，但免費(fèi)波段不等于毫米波波段)。嚴(yán)格意義的毫米波頻率為30GHz至300GHz，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)分別為10mm到1mm，毫米波通信將極大提高無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?/p>

早期的5G新工作頻率會(huì)是28GHz(美國(guó))與39GHz(歐洲)，后面將引入其他頻率，例如60GHz(注，通信行業(yè)不太看好60GHz，因?yàn)?0GHz信號(hào)傳播的大氣衰減比較嚴(yán)重)、71GHz至86GHz，甚至可能用到300GHz。

要支持毫米波通信，移動(dòng)系統(tǒng)和基站必須配備更新更快的應(yīng)用處理器、基帶以及射頻器件。事實(shí)上，5G標(biāo)準(zhǔn)對(duì)射頻影響較大，需要一系列新的射頻芯片技術(shù)來(lái)支持，例如支持相控天線的毫米波技術(shù)。毫米波技術(shù)最早應(yīng)用在航空軍工領(lǐng)域，如今汽車?yán)走_(dá)、60GHz Wi-Fi都已經(jīng)采用，5G也必然會(huì)采用。

把毫米波技術(shù)從航天軍工領(lǐng)域引入到商用市場(chǎng)并不容易。“毫米波技術(shù)還面臨一些挑戰(zhàn)，”GlobalFoundries射頻市場(chǎng)總監(jiān)Peter Rabbeni說(shuō)道，“設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，以及毫米波產(chǎn)品測(cè)試都會(huì)遇到不少困難。這主要是因?yàn)楹撩撞l率太高了。”

設(shè)計(jì)毫米波芯片很難，但測(cè)試會(huì)更難。“在業(yè)內(nèi)，我們很早就開始測(cè)試毫米波產(chǎn)品，但這些毫米波芯片主要用于航天軍工市場(chǎng)。”NI銷售與市場(chǎng)執(zhí)行副總裁Eric Starkloff說(shuō)道，“毫米波測(cè)試的成本很高，我們正在努力大幅度降低毫米波測(cè)試的成本，這樣才有可能大規(guī)模推廣毫米波。”

雖然5G技術(shù)面臨諸多挑戰(zhàn)，但Verizon計(jì)劃2017年的時(shí)候在美國(guó)提供部分5G服務(wù)，韓國(guó)電信與三星則計(jì)劃2018年冬奧會(huì)期間提供5G服務(wù)，但大規(guī)模5G部署不會(huì)早于2020年。

"我很懷疑，即使到2020年，5G能否提供較為完善的移動(dòng)服務(wù)，”Forward Concepts總裁Will Strauss說(shuō)，“當(dāng)然，2018年會(huì)有5G試運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)提供高速移動(dòng)通信服務(wù)，不過(guò)那時(shí)候能夠買得起5G手機(jī)的人非常少。”

目前5G已逐步實(shí)現(xiàn)，并處于逐步完善進(jìn)程中。下面，我們將從基礎(chǔ)設(shè)施、測(cè)試以及封裝3大方面來(lái)了解毫米波在5G應(yīng)用中可能存在的一些挑戰(zhàn)。

基礎(chǔ)設(shè)施

實(shí)際應(yīng)用中，帶相控陣天線的手機(jī)將發(fā)射信號(hào)給基站和微蜂窩基站，基站和微蜂窩基站將與相控陣天線對(duì)接以實(shí)現(xiàn)信號(hào)連接。

要實(shí)現(xiàn)上述功能，還有一些問(wèn)題要解決。例如，天氣狀況會(huì)影響信號(hào)路徑。“在毫米波頻段，由于氧氣和吸收造成的路徑損失會(huì)更大，”Anokiwave CEO Robert Donahue說(shuō)道，“解決方法是采用波束成型技術(shù)。”

Anokiwave剛剛發(fā)布一款被稱為“5G四核”的IC，工作頻率為28GHz，具備相控陣功能。這款I(lǐng)C使用硅鍺工藝，可用于微蜂窩基站等系統(tǒng)。

理論上，這種芯片可與基站通信。與4G不同，4.5G和5G設(shè)備必須支持大規(guī)模MIMO技術(shù)?；臼褂玫纳漕l功率管一般采用LDMOS工藝，但現(xiàn)在LDMOS工藝正在被氮化鎵(GaN)工藝取代。

“和LTE-A一樣，5G基礎(chǔ)設(shè)施也會(huì)移到更高的頻率以拓寬數(shù)據(jù)帶寬，”穩(wěn)懋半導(dǎo)體高級(jí)副總裁David Danzilio說(shuō)道，穩(wěn)懋半導(dǎo)體提供GaAs和GaN工藝代工服務(wù)。“隨著LTE邁向更高頻率，GaN技術(shù)已經(jīng)開始擴(kuò)大市場(chǎng)份額。”

現(xiàn)在，大多數(shù)GaN器件使用3英寸或者4英寸線來(lái)生產(chǎn)，但據(jù)Strategy Analytics的消息，Qorvo在2016年底可以將其GaN產(chǎn)線升級(jí)到6英寸。GaN工藝尺寸正在從0.25至0.5微米向0.15微米轉(zhuǎn)換，技術(shù)領(lǐng)先的廠商已經(jīng)在嘗試60納米。

“GaN是一種寬禁帶材料，”Strategy Analytics的Higham說(shuō)，“這意味著GaN能夠耐受更高的電壓，也意味著GaN器件的功率密度和可工作溫度更高。所以，與GaAs和磷化銦(InP)等其他高頻工藝相比，GaN器件輸出的功率更大;與LDMOS和SiC(碳化硅)等其他功率工藝相比，GaN的頻率特性更好。”

將來(lái)，5G手機(jī)中的PA甚至也可以用GaN來(lái)制造。“GaN也會(huì)被采用，特別是在高頻率應(yīng)用。”Qorvo無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施與產(chǎn)品事業(yè)部總經(jīng)理Sumit Tomar說(shuō)。

軍用手機(jī)中已經(jīng)開始使用GaN器件，但普通智能手機(jī)用上GaN器件還要等上一段時(shí)間，因?yàn)橹挥性诘凸β蔊aN工藝上取得突破，GaN器件才能放入智能手機(jī)。

測(cè)試難題

測(cè)試測(cè)量大概是5G生產(chǎn)制造流程中最困難的一環(huán)。與4G射頻芯片相比，毫米波的測(cè)試測(cè)量有明顯區(qū)別。

“現(xiàn)在幾乎所有的射頻芯片測(cè)試都是用一根線纜把射頻芯片和測(cè)試設(shè)備連起來(lái)，”NI的Hall說(shuō)，“采用線纜連接射頻芯片和測(cè)試設(shè)備是為了避免測(cè)試由于路徑損失等原因?qū)е碌牟淮_定性。”

不過(guò)藍(lán)牙等射頻芯片在測(cè)試時(shí)，也會(huì)進(jìn)行輻射測(cè)量。量產(chǎn)測(cè)試時(shí)，芯片廠商則會(huì)采用相應(yīng)的自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備(ATE)來(lái)進(jìn)行測(cè)試。

但是，毫米波器件的測(cè)試測(cè)量完全是另外一回事。例如，相控陣天線可能是綁定在射頻前端器件上。“(射頻前端器件)封裝就把天線包在里面了，”是德科技5G技術(shù)架構(gòu)師Mike Millhaem說(shuō)，“所以在器件上沒(méi)有射頻接口和端子來(lái)連接到測(cè)試設(shè)備上。”

所以，傳統(tǒng)的采用線纜連接的測(cè)試方法對(duì)于毫米波不適用。那么，該怎么來(lái)測(cè)試毫米波器件呢?

每家廠商有不同的測(cè)試方案，不過(guò)需要把幾臺(tái)昂貴的機(jī)器組合在一起才能完成對(duì)毫米波的測(cè)試測(cè)量。

“現(xiàn)在，毫米波測(cè)試的困難之一是這些頻率的很多信號(hào)帶寬很寬，”NI的Hall說(shuō)，“毫米波器件的量產(chǎn)測(cè)試方法有現(xiàn)成的，但調(diào)制測(cè)試還沒(méi)有。工程師能夠買到100GHz或更高頻率的矢量信號(hào)分析儀(VNA)，但矢量信號(hào)分析儀只適合測(cè)量S參數(shù)。”

矢量信號(hào)分析儀適合測(cè)量濾波器、耦合器與功放。“然而，矢量信號(hào)分析儀無(wú)法測(cè)試調(diào)制質(zhì)量，但調(diào)制質(zhì)量是射頻芯片的重要參數(shù)。”Hall說(shuō)道。

不過(guò)Hall認(rèn)為28GHz器件是可以測(cè)量的，“28GHz 5G的標(biāo)準(zhǔn)要求500MHz帶寬，這可以做沒(méi)有問(wèn)題。”

但是測(cè)量60GHz器件還是有難度，“有幾家公司在開發(fā)802.11ad測(cè)試方案，但現(xiàn)在我相信沒(méi)有一家WiGig的測(cè)試方案可以商用。”Hall說(shuō)，“由于缺乏測(cè)試方法，工程師只能依靠‘標(biāo)準(zhǔn)被測(cè)器件’的方法，如果一顆WiGig射頻芯片能夠進(jìn)行通信，我們認(rèn)為這顆芯片就是好的。這種方法很不可靠，因?yàn)槿狈y(cè)試手段，所以現(xiàn)在市場(chǎng)上的WiGig產(chǎn)品很多都有質(zhì)量問(wèn)題。”

封裝

軍用毫米波產(chǎn)品大多采用陶瓷或者金屬封裝，這些封裝可靠性很好，但是成本很高。

所以民用市場(chǎng)在考慮采用QFN封裝和多芯片模組，以及其他適合毫米波的先進(jìn)封裝。“廠商也在扇出和嵌入式封裝方面進(jìn)行嘗試。”日月光副總裁Harrison Chang說(shuō)。

實(shí)際上，在毫米波芯片封裝上，封裝工程師必須考慮更多的因素，嘗試更多的方法。“(毫米波的)射頻前端要復(fù)雜得多，”Chang說(shuō)，“我們必須保證封裝的結(jié)構(gòu)，例如連線、墊盤(pad)和通孔，使之不會(huì)妨礙到芯片上的射頻設(shè)計(jì)。

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