毫米波與5G的淵源毫米波正面臨的一些問題討論

1、毫米波與5G的淵源 毫米波正面臨的一些 問題討論今年，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，一起來了解下吧。5G標(biāo)準(zhǔn)對射頻影響較大，需要一系列新的射頻芯片技術(shù) 來支持，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（也稱為長期演 進(jìn)項(xiàng)目，

2、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 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)由來的廠商，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 ,對應(yīng)波長分別為10mm到1mm

3、 ,毫米波通信將極大提高無線數(shù)據(jù) 傳輸?shù)乃俾?。早期?G新工作頻率會(huì)是 28GHz（美國）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 卜 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)對射頻影響較大，需要一系列新的射頻芯片技術(shù)來支持，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)米用。把毫米波技術(shù)從航天軍工領(lǐng)域引入到商

4、用市場并不容易?！昂撩撞夹g(shù)還面臨一些挑戰(zhàn)，"GlobalFoundries 射頻市場總監(jiān)Peter Rabbeni 說道，“設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，以及毫米 波產(chǎn)品測試都會(huì)遇到不少困難。這主要是因?yàn)楹撩撞l率太 高了?！痹O(shè)計(jì)毫米波芯片很難，但測試會(huì)更難?！霸跇I(yè)內(nèi)，我們很早就開始測試毫米波產(chǎn)品，但這些毫米波芯片主要用于航天 軍工市場?！?NI銷售與市場執(zhí)行副總裁 Eric Starkloff 說道，“毫米波測試的成本很高，我們正在努力大幅度降低毫米波 測試的成本，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)候在美國提供部分 5G服務(wù)，韓國電

5、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 W川 Strauss 說，“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)，不過那時(shí)候能夠買得起 5G手機(jī)的人非常少?！蹦壳?G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、測試以及封裝3大方面來了解毫米波在 5G 應(yīng)用中可能存在的一些挑戰(zhàn)?；A(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接以實(shí)現(xiàn)信 號(hào)

6、連接。要實(shí)現(xiàn)上述功能，還有一些問題要解決。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 道，“解決方法是采用波束成型技術(shù)?！盇nokiwave 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使用硅銘工藝， 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 錢(GaN)工藝取代?！昂蚅TE-A

7、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 說道, 穩(wěn)懋半導(dǎo)體提供 GaAs和GaN工藝代工服務(wù)?！半S著 LTE 邁向更高頻率，GaN技術(shù)已經(jīng)開始擴(kuò)大市場份額。”現(xiàn)在，大多數(shù)GaN器件使用3英寸或者4英寸線來生產(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，“這意味著 G

8、aN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和磷化錮(InP)等其他高頻工藝相比，GaN器件輸由的功率更大;與LDMOS和SiC（碳化硅）等其他功率工藝相比，GaN的頻率特性更好?！睂?，5G手機(jī)中的PA甚至也可以用 GaN來制造?！癎aN 也會(huì)被采用，特別是在高頻率應(yīng)用。" Qorvo無線基礎(chǔ)設(shè)施 與產(chǎn)品事業(yè)部總經(jīng)理 Sumit Tomar 說。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?GaN工藝上取得突破,GaN器件才能放入智能手機(jī)。測試難題測試測量 大概是5G生產(chǎn)制造流程中最

9、困難的一環(huán)。與4G射頻芯片相比，毫米波的 測試測量 有明顯區(qū)別“現(xiàn)在幾乎所有的射頻芯片測試都是用一根線纜把射頻芯片和測試設(shè)備連起來，"NI的Hall說，“采用線纜連接射頻芯片和測試設(shè)備是為了避免測試由于路徑損失等原因 導(dǎo)致的不確定性。”不過藍(lán)牙等射頻芯片在測試時(shí)，也會(huì)進(jìn)行輻射測量。量產(chǎn) 測試時(shí)，芯片廠商則會(huì)采用相應(yīng)的自動(dòng)化測試設(shè)備 （ATE）來 進(jìn)行測試。但是，毫米波器件的 測試測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?！埃ㄉ漕l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MikeMillhaem 說，“所以在器件上沒有射頻接口和端子來連接 到測

10、試設(shè)備上?！彼?，傳統(tǒng)的采用線纜連接的測試方法對于毫米波不適 用。那么，該怎么來測試毫米波器件呢？每家廠商有不同的測試方案，不過需要把幾臺(tái)昂貴的機(jī)器組合在一起才能完成對毫米波的 測試測量?！艾F(xiàn)在，毫米波測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，“毫米波器件的量產(chǎn)測試方法有 現(xiàn)成的，但調(diào)制測試還沒有。 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 測量S參數(shù)?！笔噶啃盘?hào)分析儀適合測量濾波器、耦合器與功放“然而,矢量信號(hào)分析儀無法測試調(diào)制質(zhì)量，但調(diào)制質(zhì)量是射頻芯片 的重要參數(shù)?！?Hall說道。不過Hall認(rèn)為28GHz器件是可以測量的，“28GHz 5G的標(biāo)準(zhǔn)要求500MHz帶寬，這可以做沒有問題?！钡菧y量60GHz器件還是有難度，”有幾家公司在開發(fā)802.11ad測試方案，但現(xiàn)在我相信沒有一家WiGig的測試方案可以商用。” Hall說，“由于缺乏測試方法，工程師只 能依靠標(biāo)準(zhǔn)被測器件的方法，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試手段，所以現(xiàn)在市場上的 WiGig產(chǎn)品很 多都有質(zhì)量問題?！狈庋b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。所以民用市場在考慮采用 QFN封裝和多芯片模組，以及