關(guān)于5G毫米波相控陣的調(diào)研

1、關(guān)于 5G毫米波相控陣的調(diào)研摘要：當(dāng)今，5G市場已經(jīng)開始升溫，各廠家（Anokiwave、博通、英特爾、Qorvo、高通、三星、華為）正在開發(fā)5G芯片， 5G已經(jīng)成為中國乃至國際市場上的一種潮流。本報告主要對5G毫米波的現(xiàn)狀、面臨挑戰(zhàn)、以及涉及工藝進(jìn)行調(diào)查，從而了解衰減器與移相器在5G 60GHz情況下的發(fā)展前途。 關(guān)鍵詞：5G;毫米波；60GHz; 28GHz；SiGe；一 關(guān)于5G（一）：5G的基本概念第五代移動電話行動通信標(biāo)準(zhǔn)，也稱第五代移動通信技術(shù)，外語縮寫：5G。也是4G之后的延伸，正在研究中，網(wǎng)速可達(dá)5M/S - 6M/S . (二)：發(fā)展?fàn)顩r及影響5G市場已經(jīng)開始升溫。Anoki

2、wave、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。完成5G網(wǎng)絡(luò)部署還面臨諸多挑戰(zhàn)，舉個例子，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)還沒有確定。1、發(fā)展2G：是第二代手機(jī)通信技術(shù)規(guī)格的簡稱，一般定義為無法直接傳送如電子郵件、軟件等信息；只具有通話和一些如時間日期等傳送的手機(jī)通信技術(shù)規(guī)格。3G：第三代移動通信技術(shù)（3rd-generation，3G），是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通訊技術(shù)。3G服務(wù)能夠同時傳送聲音及數(shù)據(jù)信息，速率一般在幾百kbps以上4G：是第四代移動通信及其技術(shù)的簡稱，3G是第三代移動通信技術(shù)的簡稱。相比3G，4G帶寬更高，

3、能夠傳輸更高質(zhì)量的視頻及圖像。5G：網(wǎng)絡(luò)將有更大的容量和更快的數(shù)據(jù)處理速度，通過手機(jī)、可穿戴設(shè)備和其它聯(lián)網(wǎng)硬件推出更多的新服務(wù)將成為可能。5G的容量預(yù)計(jì)是4G的1000倍2、狀況國內(nèi)： 早在2009年，華為就已經(jīng)展開了相關(guān)技術(shù)的早期研究，并在之后的幾年里向外界展示了5G原型機(jī)基站。華為在2013年11月6日宣布將在2018年前投資6億美元對5G的技術(shù)進(jìn)行研發(fā)與創(chuàng)新，并預(yù)言在2020年用戶會享受到20Gbps的商用5G移動網(wǎng)絡(luò)。國際： 日本期望于 2020 年開始運(yùn)作。 英國預(yù)計(jì)于2018年投入公眾測試，2020年正 投入商用歐盟的5G網(wǎng)絡(luò)將在2020年2025年之間投入運(yùn)營3、影響：從用戶體驗(yàn)

4、看，5G具有更高的速率、更寬的帶寬，預(yù)計(jì)5G網(wǎng)速將比4G提高10倍左右，只需要幾秒即可下載一部高清電影，能夠滿足消費(fèi)者對虛擬現(xiàn)實(shí)、超高清視頻等更高的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)需求從行業(yè)應(yīng)用看，5G具有更高的可靠性，更低的時延，能夠滿足智能制造、自動駕駛等行業(yè)應(yīng)用的特定需求，拓寬融合產(chǎn)業(yè)的發(fā)展空間，支撐經(jīng)濟(jì)社會創(chuàng)新發(fā)展。從發(fā)展態(tài)勢看，5G目前還處于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究階段，今后幾年4G還將保持主導(dǎo)地位、實(shí)現(xiàn)持續(xù)高速發(fā)展。但5G 有望2020 年正式商用（三）社會評價：歐盟數(shù)字經(jīng)濟(jì)和社會委員古澤·奧廷格表示，5G必須是靈活的，能夠滿足人口稠密地區(qū)、人口稀疏地區(qū)以及主要的交通線等各種場景的需要對信息通信業(yè)而言，今

5、年全國“兩會”透露的信息著實(shí)令人振奮。不僅李克強(qiáng)總理在政府工作報告中指出我國已建成全球最大的4G網(wǎng)絡(luò)，為4G點(diǎn)贊，而且“十三五”規(guī)劃綱要（草案）中明確提出，將積極推進(jìn)第五代移動通信（5G）和超寬帶關(guān)鍵技術(shù)研究，啟動5G商用。 二 關(guān)于毫米波（一）微波的頻段劃分微波按波長不同可分為分米波，厘米波、毫米波及亞毫米波，分別對應(yīng)于特高頻UHF（0.33GHz）、超高頻SHF（330GHz）、極高頻EHF（30300GHz）及至高頻THF（300GHz3THz）。微波部分頻段的代號代號頻段（GHz）波長（cm）L1-230-15S2-415-7.5C4-87.5-3.75X8-133.75-2.31Ku

6、13-182.31-1.67K18-281.67-1.07Ka28-401.07-0.75（二）什么是毫米波實(shí)際上，毫米波是指波長在110毫米的電磁波，其頻率大約在30GHz300GHz之間。它位于微波與遠(yuǎn)紅外波相交疊的波長范圍，因而兼具兩種波普的特點(diǎn)。理論上講，毫米波是光波向低頻的發(fā)展與微波向高頻的延伸。從通信原理來看，無線通信最大信號帶寬約在載波頻率的5%左右，也就是說，載波頻率越高，其可實(shí)現(xiàn)的信號帶寬也就越大。此外，在毫米波頻段中，28GHz與60GHz是最有望應(yīng)用在5G通信的兩個頻段。（三）毫米波的特性優(yōu)點(diǎn)：從理論上講，毫米波是光波向低頻的發(fā)展與微波向高頻的延伸。由于毫米波的獨(dú)有特性，

7、使其在傳播時不易受到自然光和熱輻射源的影響，不光是通信，其還可應(yīng)用于雷達(dá)、制導(dǎo)等諸多領(lǐng)域。缺點(diǎn)：盡管毫米波技術(shù)用途廣泛，但其也不可避免地存有短板。例如其傳播距離最多只能在200米左右，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，又或是毫米波的穿透能力不強(qiáng)，在空氣中衰減較大，遇到墻或者其他阻礙就無法發(fā)揮作用。（四）毫米波的應(yīng)用毫米波技術(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5G也必然會采用。三 毫米波與5G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）、7

8、1GHz至86GHz，甚至可能用到300GHz。（一）高通談5G不是只有快 28GHz頻段毫米波首度展出高通（Qualcomm）更在 MWC 期間演示採用 28GHz 頻段的 5G 毫米波技術(shù)（Millimeter Wave），同時宣布與愛立信合作，并且加入中國移動 5G 聯(lián)合創(chuàng)新中心。 Durga Malladi 特別提到，為什么高通要演示基于 28GHz 的 5G 毫米波。由于現(xiàn)在大部分手機(jī)的工作頻段都是在 2GHz、2.6GHz 或 3.5GHz，過去整個蜂窩無線網(wǎng)路從來沒有在 28GHz 這個頻段上進(jìn)行探索過，因?yàn)樵谶@麼高的頻段，訊號很容易受到阻擋，可能很小的移動就會讓網(wǎng)路無法連接?，F(xiàn)

9、在我們打電話，即使隨意轉(zhuǎn)動也不會影響通話質(zhì)量，但是在 28GHz 的頻段下，當(dāng)你轉(zhuǎn)一個方向，你的頭部也許就會成為障礙物，阻擋了訊號，同時也影響手機(jī)的使用，而這項(xiàng)技術(shù)的挑戰(zhàn)難度在于如何利用這個頻譜，使其發(fā)揮作用。高通進(jìn)行 5G 毫米波 28 GHz 演示，展現(xiàn)調(diào)適性波束成型與波束追蹤技巧，在設(shè)備間無障礙物（LOS）以及非直視性（NLOS）的射頻通道條件下能進(jìn)行穩(wěn)定持續(xù)的寬頻通訊，以及優(yōu)異的裝置行動力。 Durga Malladi 表示，高通利用波束形成、波束追蹤等技術(shù)解決，當(dāng)小基站不動，UE在移動，波束就會隨著它的移動而去自動追蹤它，這樣就可以確保兩者之間的連接還是保持在一個非常穩(wěn)定的狀態(tài)。UE

10、:5G新空口原型系統(tǒng)包括基站和用戶設(shè)備UE，并充當(dāng)試驗(yàn)平臺以驗(yàn)證 5G新空口功能，支持超過100MHz的大射頻帶寬，可實(shí)現(xiàn)每秒數(shù)千兆比特的數(shù)據(jù)傳輸速率；它還支持全新的集成子幀設(shè)計(jì)，空口傳輸時延較當(dāng)今4G LTE網(wǎng)絡(luò)顯著降低。 高通執(zhí)行副總裁Cristiano Amon表示，高通預(yù)計(jì)2018年進(jìn)行5G原型設(shè)計(jì)和測試，商用服務(wù)預(yù)計(jì)會在2020年實(shí)現(xiàn)。高通工程技術(shù)副總裁Durga Malladi強(qiáng)調(diào)，5G不僅是行動寬頻的概念，還是一個系統(tǒng)，將來所有產(chǎn)業(yè)的升級。（二）5G毫米波面臨的挑戰(zhàn)（1）測試難題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

11、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)?！笔噶啃盘柗治鰞x適合測量濾波器、耦合器與功放?！叭欢?，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)?！盚all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?！盚all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

12、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?！保?）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?！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。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?！埃ê撩撞ǖ模┥漕l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)。（3）標(biāo)

13、準(zhǔn)WiFi等無線技術(shù)都能被置于5G概念內(nèi)，將是整個市場變得復(fù)雜、不確定甚至混亂。例如，5G或許會把60GHz無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（WiGig） 包含進(jìn)來，其他的無線標(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家的所有無線通信標(biāo)準(zhǔn)?！澳隳芡瑫r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。所以，將來運(yùn)營商只會支持一部分5G標(biāo)準(zhǔn)?！埃ㄟ\(yùn)營商的）目標(biāo)是建成一個靈活的網(wǎng)絡(luò)，可以滿足細(xì)分的垂直市場需求?！盋amerson說道。（4）傳播相比4G，毫米波信號傳輸距離變短，由于波長變短和空氣吸收等

14、因素影響，5G信號傳播距離大約為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），通過使用多根天線來倍增系統(tǒng)通信容量（5）功耗  毫米波收發(fā)機(jī)要求CMOS器件能工作在毫米波頻段，所以要求CMOS器件對信號的靈敏度很高。我們可以參照日常生活中的水龍頭來說明這個問題。  大家一定都經(jīng)常有開關(guān)水龍頭的經(jīng)驗(yàn)，很多水龍頭在關(guān)著時，需要擰很多下才會出來一點(diǎn)點(diǎn)水，然后隨著水流越來越大，只要多擰一點(diǎn)點(diǎn)水流就會變大很多。在這里，手?jǐn)Q龍頭的動作就是激勵信號，而對應(yīng)的水流變化就是輸出響應(yīng)。CMOS器件本質(zhì)上和水龍頭很像，都是通過

15、控制端（即CMOS的柵極）調(diào)整輸出流量（對水龍頭是水流，對CMOS則是輸出電流）。  因此，如果需要CMOS器件對微弱的毫米波信號能快速響應(yīng)，必須把它的直流電流調(diào)到很大（相當(dāng)于把水龍頭設(shè)置在水流很大的狀態(tài)）。這樣一來，CMOS電路就需要很大的功耗才能處理毫米波信號。四5G毫米波相控陣（1）相控陣介紹如圖，相控陣是由衰減器、移相器、放大器、低噪放組成。相控陣器件通常由不同的工藝制造而成，不過現(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?主動天線應(yīng)用中，硅鍺工藝已經(jīng)得到了證明?！盩owerJazz高級戰(zhàn)略市場總監(jiān)Amol Kalburge說。"此外，硅鍺

16、材料可以把先進(jìn)CMOS工藝和片上無源器件集成在一起，這樣就減小系統(tǒng)級芯片（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，“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)然也會用到其他三-五價材料?！保?）典型產(chǎn)品awmf - 0108是一個高度集成硅四核5 g IC用于相控陣的應(yīng)用程序。設(shè)備支持四個Tx / Rx輻射元素,包括所有必要的光束控制控制5階段和增益控制,并以半雙工方式運(yùn)作,使單個天線同時支持Tx和Rx操作。設(shè)備提供24分貝增益和+ 9 dBm輸出功率傳輸模式和31 dB的增益,5.0 dB NF - -28 dBm IIP3在接收模式。附加

17、功能包括增益補(bǔ)償溫度,溫度報告、發(fā)射功率遙測,快速波束切換使用八片上束重量存儲寄存器。設(shè)備功能ESD保護(hù)所有別針,+ 1.8 V電源操作,打包在48領(lǐng)先6 x6毫米QFN平面相控陣天線安裝方便。aws - 0101是一個高度集成硅四核5 g IC用于雷達(dá)和相控陣的應(yīng)用程序。設(shè)備支持四個輻射元素,單波束傳輸,雙光束接收和包括所有必要的光束控制控制6階段和增益控制。設(shè)備提供了21個分貝增益在傳輸模式,在傳輸+ 15 dBm的輸出功率,在收到3.4 dB NF。附加功能包括增益補(bǔ)償溫度,溫度報告和快速波束切換使用八片上梁重量存儲寄存器。設(shè)備特性ESD保護(hù)所有的針,從+ 1.8 v供應(yīng)運(yùn)作,打包在56

18、領(lǐng)先7 x7 QFN平面相控陣天線安裝方便。aws - 0102是一個高度集成的四核硅集成電路用于衛(wèi)星通信的應(yīng)用程序。設(shè)備支持四雙極化輻射元素完全可編程的極化的靈活性。設(shè)備提供22分貝噪聲指數(shù)為3.4 dB的增益。附加功能包括對溫度和溫度報告獲得補(bǔ)償。芯片的ESD保護(hù)特性在所有別針,+ 1.8 V電源操作,包裝在56領(lǐng)先7 x7 mm QFN平面相控陣天線安裝方便aws - 0103是一個高度集成硅四核5 g IC用于雷達(dá)和相控陣的應(yīng)用程序。設(shè)備支持四個輻射元素,單波束傳輸,雙光束接收和包括所有必要的光束控制控制6階段和增益控制。該設(shè)備提供了21個分貝增益和+ 15 dBm的輸出功率在傳輸模式和7分貝增益和+ 7 dBm IIP3在接收模式。附加功能包括增益補(bǔ)償溫度,溫度報告和快速波束切換使用八片上梁重量存儲寄存器。設(shè)備特性ESD保護(hù)所有的針,從+ 1.8 v供應(yīng)運(yùn)作,打包在56領(lǐng)先7 x7 mm QFN平面相控陣天線安裝方便。awmf