今年，毫米波技術得到外界的格外關注，其緣由在于毫米波在眾多領域內(nèi)都可帶來廣泛應用和突破性進展。但就目前而言，毫米波技術并未達到完全成熟，在進階發(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正面臨的一些阻礙，一起來了解下吧。
5G標準對射頻影響較大，需要一系列新的射頻芯片技術來支持，例如支持相控天線的毫米波技術。毫米波技術最早應用在航空軍工領域，如今汽車雷達、60GHz Wi-Fi都已經(jīng)采用， 5G也必然會采用。
運營商、設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準(即5G)的制定。5G是現(xiàn)在4G(也稱為長期演進項目，Long term evolution，即LTE)移動通信標準的下一代，5G數(shù)據(jù)傳輸速率可超過10Gbps，是現(xiàn)在LTE標準的100倍。而目前，5G技術已成為現(xiàn)實。
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)絡工作頻率從700MHz橫跨至3.5GHz，5G網(wǎng)絡則不僅要兼容LTE網(wǎng)絡，還須支持公用免費(unlicensed，設備廠商不需要購買許可費用)或毫米波頻段(注：目前毫米波波段基本免費，但免費波段不等于毫米波波段)。嚴格意義的毫米波頻率為30GHz至300GHz，對應波長分別為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，因為60GHz信號傳播的大氣衰減比較嚴重)、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用處理器、基帶以及射頻器件。事實上，5G標準對射頻影響較大，需要一系列新的射頻芯片技術來支持，例如支持相控天線的毫米波技術。毫米波技術最早應用在航空軍工領域，如今汽車雷達、60GHz Wi-Fi都已經(jīng)采用，5G也必然會采用。
把毫米波技術從航天軍工領域引入到商用市場并不容易。“毫米波技術還面臨一些挑戰(zhàn)，”GlobalFoundries射頻市場總監(jiān)Peter Rabbeni說道，“設計與設計實現(xiàn)，以及毫米波產(chǎn)品測試都會遇到不少困難。這主要是因為毫米波頻率太高了。”
設計毫米波芯片很難，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技術面臨諸多挑戰(zhàn)，但Verizon計劃2017年的時候在美國提供部分5G服務，韓國電信與三星則計劃2018年冬奧會期間提供5G服務，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，”Forward Concepts總裁Will Strauss說，“當然，2018年會有5G試運行網(wǎng)絡提供高速移動通信服務，不過那時候能夠買得起5G手機的人非常少。”
目前5G已逐步實現(xiàn)，并處于逐步完善進程中。下面，我們將從基礎設施、測試以及封裝3大方面來了解毫米波在5G應用中可能存在的一些挑戰(zhàn)。
基礎設施
實際應用中，帶相控陣天線的手機將發(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現(xiàn)信號連接。
要實現(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。”
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IC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設備必須支持大規(guī)模MIMO技術?；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基礎設施也會移到更高的頻率以拓寬數(shù)據(jù)帶寬，”穩(wěn)懋半導體高級副總裁David Danzilio說道，穩(wěn)懋半導體提供GaAs和GaN工藝代工服務。“隨著LTE邁向更高頻率，GaN技術已經(jīng)開始擴大市場份額。”
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，技術領先的廠商已經(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，特別是在高頻率應用。”Qorvo無線基礎設施與產(chǎn)品事業(yè)部總經(jīng)理Sumit Tomar說。
軍用手機中已經(jīng)開始使用GaN器件，但普通智能手機用上GaN器件還要等上一段時間，因為只有在低功率GaN工藝上取得突破，GaN器件才能放入智能手機。
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備連起來，”NI的Hall說，“采用線纜連接射頻芯片和測試設備是為了避免測試由于路徑損失等原因?qū)е碌牟淮_定性。”
不過藍牙等射頻芯片在測試時，也會進行輻射測量。量產(chǎn)測試時，芯片廠商則會采用相應的自動化測試設備(ATE)來進行測試。
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技術架構師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認為28GHz器件是可以測量的，“28GHz 5G的標準要求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‘標準被測器件’的方法，如果一顆WiGig射頻芯片能夠進行通信，我們認為這顆芯片就是好的。這種方法很不可靠，因為缺乏測試手段，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封裝。“廠商也在扇出和嵌入式封裝方面進行嘗試。”日月光副總裁Harrison Chang說。
實際上，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)射頻前端要復雜得多，”Chang說，“我們必須保證封裝的結構，例如連線、墊盤(pad)和通孔，使之不會妨礙到芯片上的射頻設計。
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