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。5G技術(shù)能否成為現(xiàn)實(shí),,現(xiàn)在還是一個(gè)疑問(wèn),。
不過(guò),5G市場(chǎng)已經(jīng)開始升溫,。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,。完成5G網(wǎng)絡(luò)部署還面臨諸多挑戰(zhàn),舉個(gè)例子,,雖然設(shè)備商和芯片廠商已經(jīng)在開發(fā)5G產(chǎn)品,,但5G標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有確定。
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,將來(lái)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)?!盢I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,?!?/p>
雖然離5G真正實(shí)現(xiàn)尚有很長(zhǎng)時(shí)間,但業(yè)界需要認(rèn)真審視5G技術(shù),,以跟隨發(fā)展到步伐,。下面我們就從芯片、工藝,、測(cè)試和封裝等角度來(lái)詳細(xì)分析一下5G技術(shù)現(xiàn)狀,。
什么是5G?
到底什么是5G,?為什么我們需要5G,?現(xiàn)在,多數(shù)運(yùn)營(yíng)商部署的4G移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)被成為L(zhǎng)TE升級(jí)版(LTE Advanced ,,為L(zhǎng)TE標(biāo)準(zhǔn)的第10版,,簡(jiǎn)稱LTE-A)。根據(jù)4G技術(shù)規(guī)范,,運(yùn)營(yíng)商部署了第四級(jí)(Cat 4)與第六級(jí)(Cat 6)LTE-A移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò),,第四級(jí)LTE-A下載速度可達(dá)150Mbps,第六級(jí)LTE-A下載速度更高,,可達(dá)300Mbps,。
再過(guò)一段時(shí)間,運(yùn)營(yíng)商將部署LTE-A Pro(為L(zhǎng)TE標(biāo)準(zhǔn)的第13版),,LTE-A被認(rèn)為是4.5G技術(shù),,被看作通向5G的跳板。根據(jù)NI的資料,,LTE-A Pro支持32個(gè)載波單元(LTE-A是5個(gè)),,大規(guī)模多入多出技術(shù)(Massive MIMO)以及免費(fèi)頻段LTE技術(shù)等。這些技術(shù)都是5G技術(shù)的一部分,,不過(guò)5G技術(shù)將進(jìn)一步把工作頻率拓展到毫米波頻段,。對(duì)于LTE-A Pro,運(yùn)營(yíng)商會(huì)部署第十級(jí)(Cat 10)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò),,支持450Mbps下載速度,,部分運(yùn)營(yíng)商會(huì)部署下載速度達(dá)1Gpbs的第16級(jí)(Cat 16)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。
雖然現(xiàn)在4G網(wǎng)絡(luò)速度還不錯(cuò),,但根據(jù)愛立信的估計(jì),,從2015到2021年,移動(dòng)數(shù)據(jù)流量每年增長(zhǎng)率在45%左右,,到2021年每部手機(jī)每月數(shù)據(jù)流量將從2015年的1.4GB增長(zhǎng)到8.9GB左右,。
因?yàn)橐苿?dòng)數(shù)據(jù)流量飛速增長(zhǎng)等原因,人們對(duì)5G技術(shù)的需求是真實(shí)存在的。不同運(yùn)營(yíng)商提供的5G服務(wù)可能互有區(qū)別,,但大體上每家運(yùn)營(yíng)商選擇的5G技術(shù)都包括以下三項(xiàng):增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶,、物聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器通信。
增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶引入毫米波技術(shù),,可使移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸速率超過(guò)10Gbps,。5G網(wǎng)絡(luò)容量是4G的1000多倍,傳輸延遲降低到4G的十分之一,。物聯(lián)網(wǎng)主要是指基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù),為了物聯(lián)網(wǎng)更好的發(fā)展,,現(xiàn)在業(yè)界也制定了一個(gè)窄帶無(wú)線互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn),,成為窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NBIOT)。同時(shí),,5G包含一種單獨(dú)的機(jī)器對(duì)機(jī)器通信協(xié)議(M2M),,5G中規(guī)定的M2M協(xié)議被稱為L(zhǎng)TE-M。
“5G中對(duì)低功耗和長(zhǎng)電池壽命提出了要求,,”NI首席市場(chǎng)經(jīng)理 David Hall說(shuō),,“ NBIOT和LTE-M都是為機(jī)器與機(jī)器通信而設(shè)計(jì)的,在現(xiàn)有移動(dòng)通信協(xié)議上進(jìn)行了修改,,它們?cè)谏漕l方面都比較簡(jiǎn)單,。”
那么引入這些標(biāo)準(zhǔn)的副作用在哪里,? WiFi等無(wú)線技術(shù)都能被置于5G概念內(nèi),,將是整個(gè)市場(chǎng)變得復(fù)雜、不確定甚至混亂,。例如,,5G或許會(huì)把60GHz無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(WiGig)包含進(jìn)來(lái),其他的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)也在不斷涌現(xiàn),,例如LoRa和Sigfox,。
但是不太可能(如果不是不可能)設(shè)計(jì)出一顆射頻芯片支持所有國(guó)家的所有無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)?!澳隳芡瑫r(shí)滿足所有的需求嗎,?不能!”ADI公司通信基礎(chǔ)設(shè)施部門首席技術(shù)官Thomas Camerson斬釘截鐵地說(shuō),。所以,,將來(lái)運(yùn)營(yíng)商只會(huì)支持一部分5G標(biāo)準(zhǔn)?!埃ㄟ\(yùn)營(yíng)商的)目標(biāo)是建成一個(gè)靈活的網(wǎng)絡(luò),,可以滿足細(xì)分的垂直市場(chǎng)需求。”Camerson說(shuō)道,。
此外,,相比4G,毫米波信號(hào)傳輸距離變短,,由于波長(zhǎng)變短和空氣吸收等因素影響,,5G信號(hào)傳播距離大約為200米。為了滿足短距離傳輸范圍的數(shù)據(jù)流量需求,,5G將采用大規(guī)模多入多出技術(shù)(Massive MIMO),,通過(guò)使用多根天線來(lái)倍增系統(tǒng)通信容量。從這個(gè)例子可以管窺5G網(wǎng)絡(luò)有多復(fù)雜,。
透視5G手機(jī)
4G手機(jī)里面的數(shù)字部分包括應(yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器,,射頻前端則包括功率放大器(PA)、射頻信號(hào)源和模擬開關(guān),。功率放大器用于放大手機(jī)里的射頻信號(hào),,通常采用砷化鎵(GaAs)材料的異質(zhì)結(jié)型晶體管(HBT)技術(shù)制造。
未來(lái)的5G手機(jī)也要有應(yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器,。不過(guò)與4G系統(tǒng)不同,,5G手機(jī)還需要相控陣天線。相控陣天線由一組可獨(dú)立發(fā)射信號(hào)的天線組成,,利用波束成型技術(shù),,每根相控天線都可以根據(jù)波束來(lái)調(diào)整方向。
5G智能手機(jī)中可能需要16跟天線,?!懊扛炀€都有獨(dú)立的PA和移相器,并與一個(gè)覆蓋整個(gè)工作頻率的信號(hào)收發(fā)器相連,,”Strategy Analytics行業(yè)分析師Chris Taylor說(shuō)道,,“理想的狀況是把天線放在信號(hào)收發(fā)器上面,或者與收發(fā)器做在一起,,所以信號(hào)收發(fā)器要有多個(gè)由小的PA組成的發(fā)射通道,。所有進(jìn)出天線的信號(hào)都在模擬域處理?!?/p>
用毫米波器件設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)非常有挑戰(zhàn)性,。“很多客戶不但關(guān)心系統(tǒng)的架構(gòu),,還想知道究竟用什么技術(shù)來(lái)具體實(shí)現(xiàn),,”GlobalFoundries Rabbeni說(shuō)道,“這很大程度上取決于系統(tǒng)要集成多少功能,,以及如何劃分子系統(tǒng),?!?/p>
“此外,布局布線對(duì)于毫米波的影響很大,,”Rabbeni說(shuō),,“各個(gè)部件之間靠得很近以減小損耗。處理毫米波電路不是一件容易事,?!?/p>
相控陣器件通常由不同的工藝制造而成,不過(guò)現(xiàn)在多數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝和硅鍺(SiGe)工藝,?!霸诤撩撞ㄏ嗫仃?主動(dòng)天線應(yīng)用中,硅鍺工藝已經(jīng)得到了證明,?!盩owerJazz高級(jí)戰(zhàn)略市場(chǎng)總監(jiān)Amol Kalburge說(shuō)。
"此外,,硅鍺材料可以把先進(jìn)CMOS工藝和片上無(wú)源器件集成在一起,,這樣就減小系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)的面積以提高集成度,,并在成本與性能的平衡上做到更好,,”Kalburge說(shuō),“我們認(rèn)為硅鍺材料將在5G射頻前端IC發(fā)揮重大作用,,當(dāng)然也會(huì)用到其他三-五價(jià)材料,。”
“在6GHz頻率以下的應(yīng)用中,,SOI工藝的開關(guān)將繼續(xù)是主流,,但SOI開關(guān)在毫米波頻率的應(yīng)用研究還不充分,其可發(fā)揮的作用與可能遇到的問(wèn)題還是個(gè)未知數(shù),。波束成型天線可以支持不同的收發(fā)通道,,所以在毫米波中有可能不需要天線開關(guān)也能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)通道的完全隔離。如果毫米波應(yīng)用仍然需要模擬開關(guān),,現(xiàn)在的SOI工藝開關(guān)由于插入損耗高,,很有可能不可用。SOI工藝的不足將給MEMS工藝開關(guān)或其他新技術(shù)帶來(lái)機(jī)會(huì),?!盞alburge說(shuō)道。
硅鍺采用8英寸晶圓的標(biāo)準(zhǔn)CMOS制造流程,,晶圓代工廠也在持續(xù)提高硅鍺工藝的性能,。例如,GlobalFoundries最近推出的130nm硅鍺工藝,,其工作頻率最高可達(dá)340GHz,,比舊工藝提高了25%,。此外,TowerJazz最近也推出了130nm硅鍺工藝,。
與4G手機(jī)一樣,,5G手機(jī)也需要功率放大器?!昂撩撞☉?yīng)用中,,功率放大器將是系統(tǒng)功耗的決定性因素,”三星美國(guó)研究中心的主任工程師Jeffery Curtis說(shuō)道,,“毫米波系統(tǒng)中有現(xiàn)成的功率放大器可用,,但現(xiàn)在的毫米波系統(tǒng)對(duì)于射頻前端的要求與移動(dòng)通信中的要求有很大區(qū)別?!?/p>
三星已經(jīng)為5G應(yīng)用開發(fā)了一款28GHz的集成了低噪聲放大器(LNA)和模擬開關(guān)的功率放大器,。該器件使用0.15微米的GaAs工藝,“根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景,,對(duì)PA和LNA進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì),,我們把功耗降低了65%,”Curtis說(shuō),,“將這些器件集成在一起減小尺寸,,是把其應(yīng)用到手機(jī)的關(guān)鍵一步?!?/p>
除了GaAs,,業(yè)界也在嘗試其他的三五價(jià)材料來(lái)制造PA,例如硅鍺,?!芭c制造PA所使用的其他工藝相比,GaAs在效率,、線性度和頻率范圍等方面都有優(yōu)勢(shì),,”Strategy Analytics分析師Eric Higham說(shuō),“與硅基工藝相比,,GaAs工藝的缺點(diǎn)是成本比較高,,不易集成?!?/p>
Higham表示,,GaAs代工廠大部分還采用4英寸晶圓來(lái)生產(chǎn),但是為了降低成本,,很多廠商開始把產(chǎn)線升級(jí)到6英寸,。
在低頻段,GaAs HBT的柵極長(zhǎng)度通常在0.25至0.5微米之間,,“要做到毫米波頻率,,多數(shù)器件廠商會(huì)選用柵極長(zhǎng)度在0.1至0.15微米的工藝,,”Higham說(shuō),“Qorvo推出了90nm的GaAs工藝,,不過(guò)90nm已經(jīng)是現(xiàn)在量產(chǎn)GaAs工藝的極限尺寸了,。”
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,?!霸诤撩撞l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)?!?/p>
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),。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)?!半S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?!?/p>
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?!?/p>
將來(lái),,5G手機(jī)中的PA甚至也可以用GaN來(lái)制造?!癎aN也會(huì)被采用,,特別是在高頻率應(yīng)用?!盦orvo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?!?/p>
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?!?/p>
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)?!盚all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?!?/p>
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,?!盚all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?!?/p>
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?!皬S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)?!?/p>