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)力地推動第五代移動通信標(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，Long term evolution，即LTE)移動通信標(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)出來的廠商，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，毫米波通信將極大提高無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?/p>

早期的5G新工作頻率會是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也必然會采用。

把毫米波技術(shù)從航天軍工領(lǐng)域引入到商用市場并不容易。“毫米波技術(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，但測試會更難。“在業(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)，韓國電信與三星則計(jì)劃2018年冬奧會期間提供5G服務(wù)，但大規(guī)模5G部署不會早于2020年。

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

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)。

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，天氣狀況會影響信號路徑。“在毫米波頻段，由于氧氣和吸收造成的路徑損失會更大，”Anokiwave CEO Robert Donahue說道，“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)。“隨著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，5G手機(jī)中的PA甚至也可以用GaN來制造。“GaN也會被采用，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蔊aN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?qū)е碌牟淮_定性。”

不過藍(lán)牙等射頻芯片在測試時(shí)，也會進(jìn)行輻射測量。量產(chǎn)測試時(shí)，芯片廠商則會采用相應(yīng)的自動化測試設(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。“(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，“所以在器件上沒有射頻接口和端子來連接到測試設(shè)備上。”

所以，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，不過需要把幾臺昂貴的機(jī)器組合在一起才能完成對毫米波的測試測量。

“現(xiàn)在，毫米波測試的困難之一是這些頻率的很多信號帶寬很寬，”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分析儀(VNA)，但矢量信號分析儀只適合測量S參數(shù)。”

矢量信號分析儀適合測量濾波器、耦合器與功放。“然而，矢量信號分析儀無法測試調(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。”

但是測量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。”

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。

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，“我們必須保證封裝的結(jié)構(gòu)，例如連線、墊盤(pad)和通孔，使之不會妨礙到芯片上的射頻設(shè)計(jì)。

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