毫米波與5G的淵源毫米波正面臨的一些問(wèn)題討論

1、毫米波與5G的淵源毫米波正面臨的一些問(wèn)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(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)并未到達(dá)完全成熟,在進(jìn)階開(kāi)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)、60GHzWi-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)工程,Longtermevolu

2、tion,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)由來(lái)的廠商,正在開(kāi)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)那么不僅要兼容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)置許可費(fèi)用或毫米波頻段注：目前毫米波波段根本免費(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升無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?早期的5G新工作頻率會(huì)

3、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,由于60GHz信號(hào)傳播的大氣衰減比擬嚴(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(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)、60GHzWi-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)PeterRa

4、bbeni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.這主要是由于毫米波頻率太高了.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(kāi)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EricStarkloff說(shuō)道,“毫米波測(cè)試的本錢很高,我們正在努力大幅度降低毫米波測(cè)試的本錢,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方案2021年的時(shí)候在美國(guó)提供局部5G效勞,韓國(guó)電信與三星那么方案2021年冬奧會(huì)期間提供5G效勞,但大規(guī)模5G部署不會(huì)早于2021年.我很疑心,即使到2021年,5G能否提供較為完善的移動(dòng)效勞,F

5、orwardConcepts總裁W川Strauss說(shuō),“當(dāng)然,2021年會(huì)有5G試運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)提供高速移動(dòng)通信效勞,不過(guò)那時(shí)候能夠買得起5G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,我們將從根底設(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).根底設(shè)施實(shí)際應(yīng)用中,帶相控陣天線的將發(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,AnokiwaveCEORobertDonahue說(shuō)道,“解決方法是采用波束成型技術(shù).An

6、okiwave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).基站使用的射頻功率管一般采用LDMOS工藝,但現(xiàn)在LDMOS工藝正在被氮化錢(GaN)工藝取代.“和LTE-A一樣,5G根底設(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DavidDanzilio說(shuō)道,穩(wěn)懋半導(dǎo)體提供GaAs和GaN工藝代工效勞.“隨著LTE邁向更高頻率,GaN技術(shù)已經(jīng)開(kāi)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)Str

7、ategyAnalytics的消息,Qorvo在2021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,StrategyAnalytics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.將來(lái),5G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)線根底設(shè)施

8、與產(chǎn)品事業(yè)部總經(jīng)理SumitTomar說(shuō).軍用中已經(jīng)開(kāi)始使用GaN器件,但普通智能用上GaN器件還要等上一段時(shí)間,由于只有在低功率GaN工藝上取得突破,GaN器件才能放入智能.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)備是為了防止測(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),芯片廠商那么會(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

9、.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MikeMillhaem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

10、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,“28GHz5G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(kāi)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,由于缺乏測(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,但是本錢很高.所以民用市場(chǎng)在考慮采用QFN封裝和多芯片模組,以