毫米波与5G的渊源，毫米波正面临的一些囧境

今年，毫米波技术得到外界的格外关注，其缘由在于毫米波在众多领域内都可带来广泛应用和突破性进展。但就目前而言，毫米波技术并未达到完全成熟，在进阶发展的道路上任存在一定挑战。本文中，将为大家列举毫米波技术正面临的一些阻碍，一起来了解下吧。

5G标准对射频影响较大，需要一系列新的射频芯片技术来支持，例如支持相控天线的毫米波技术。毫米波技术最早应用在航空军工领域，如今汽车雷达、60GHz Wi-Fi都已经采用， 5G也必然会采用。

运营商、设备厂商和芯片厂商正在齐心协力地推动第五代移动通信标准(即5G)的制定。5G是现在4G(也称为长期演进项目，Long term evolution，即LTE)移动通信标准的下一代，5G数据传输速率可超过10Gbps，是现在LTE标准的100倍。而目前，5G技术已成为现实。

Anokiwave、博通、英特尔、Qorvo、高通、三星以及其他不断涌现出来的厂商，正在开发5G芯片。

现在的LTE网络工作频率从700MHz横跨至3.5GHz，5G网络则不仅要兼容LTE网络，还须支持公用免费(unlicensed，设备厂商不需要购买许可费用)或毫米波频段(注：目前毫米波波段基本免费，但免费波段不等于毫米波波段)。严格意义的毫米波频率为30GHz至300GHz，对应波长分别为10mm到1mm，毫米波通信将极大提高无线数据传输的速率。

早期的5G新工作频率会是28GHz(美国)与39GHz(欧洲)，后面将引入其他频率，例如60GHz(注，通信行业不太看好60GHz，因为60GHz信号传播的大气衰减比较严重)、71GHz至86GHz，甚至可能用到300GHz。

要支持毫米波通信，移动系统和基站必须配备更新更快的应用处理器、基带以及射频器件。事实上，5G标准对射频影响较大，需要一系列新的射频芯片技术来支持，例如支持相控天线的毫米波技术。毫米波技术最早应用在航空军工领域，如今汽车雷达、60GHz Wi-Fi都已经采用，5G也必然会采用。

把毫米波技术从航天军工领域引入到商用市场并不容易。“毫米波技术还面临一些挑战，”GlobalFoundries射频市场总监Peter Rabbeni说道，“设计与设计实现，以及毫米波产品测试都会遇到不少困难。这主要是因为毫米波频率太高了。”

设计毫米波芯片很难，但测试会更难。“在业内，我们很早就开始测试毫米波产品，但这些毫米波芯片主要用于航天军工市场。”NI销售与市场执行副总裁Eric Starkloff说道，“毫米波测试的成本很高，我们正在努力大幅度降低毫米波测试的成本，这样才有可能大规模推广毫米波。”

虽然5G技术面临诸多挑战，但Verizon计划2017年的时候在美国提供部分5G服务，韩国电信与三星则计划2018年冬奥会期间提供5G服务，但大规模5G部署不会早于2020年。

"我很怀疑，即使到2020年，5G能否提供较为完善的移动服务，”Forward Concepts总裁Will Strauss说，“当然，2018年会有5G试运行网络提供高速移动通信服务，不过那时候能够买得起5G手机的人非常少。”

目前5G已逐步实现，并处于逐步完善进程中。下面，我们将从基础设施、测试以及封装3大方面来了解毫米波在5G应用中可能存在的一些挑战。

 

基础设施

实际应用中，带相控阵天线的手机将发射信号给基站和微蜂窝基站，基站和微蜂窝基站将与相控阵天线对接以实现信号连接。

要实现上述功能，还有一些问题要解决。例如，天气状况会影响信号路径。“在毫米波频段，由于氧气和吸收造成的路径损失会更大，”Anokiwave CEO Robert Donahue说道，“解决方法是采用波束成型技术。”

Anokiwave刚刚发布一款被称为“5G四核”的IC，工作频率为28GHz，具备相控阵功能。这款IC使用硅锗工艺，可用于微蜂窝基站等系统。

理论上，这种芯片可与基站通信。与4G不同，4.5G和5G设备必须支持大规模MIMO技术。基站使用的射频功率管一般采用LDMOS工艺，但现在LDMOS工艺正在被氮化镓(GaN)工艺取代。

“和LTE-A一样，5G基础设施也会移到更高的频率以拓宽数据带宽，”稳懋半导体高级副总裁David Danzilio说道，稳懋半导体提供GaAs和GaN工艺代工服务。“随着LTE迈向更高频率，GaN技术已经开始扩大市场份额。”

现在，大多数GaN器件使用3英寸或者4英寸线来生产，但据Strategy Analytics的消息，Qorvo在2016年底可以将其GaN产线升级到6英寸。GaN工艺尺寸正在从0.25至0.5微米向0.15微米转换，技术领先的厂商已经在尝试60纳米。

“GaN是一种宽禁带材料，”Strategy Analytics的Higham说，“这意味着GaN能够耐受更高的电压，也意味着GaN器件的功率密度和可工作温度更高。所以，与GaAs和磷化铟(InP)等其他高频工艺相比，GaN器件输出的功率更大;与LDMOS和SiC(碳化硅)等其他功率工艺相比，GaN的频率特性更好。”

将来，5G手机中的PA甚至也可以用GaN来制造。“GaN也会被采用，特别是在高频率应用。”Qorvo无线基础设施与产品事业部总经理Sumit Tomar说。

军用手机中已经开始使用GaN器件，但普通智能手机用上GaN器件还要等上一段时间，因为只有在低功率GaN工艺上取得突破，GaN器件才能放入智能手机。

 

测试难题

测试测量大概是5G生产制造流程中最困难的一环。与4G射频芯片相比，毫米波的测试测量有明显区别。

“现在几乎所有的射频芯片测试都是用一根线缆把射频芯片和测试设备连起来，”NI的Hall说，“采用线缆连接射频芯片和测试设备是为了避免测试由于路径损失等原因导致的不确定性。”

不过蓝牙等射频芯片在测试时，也会进行辐射测量。量产测试时，芯片厂商则会采用相应的自动化测试设备(ATE)来进行测试。

但是，毫米波器件的测试测量完全是另外一回事。例如，相控阵天线可能是绑定在射频前端器件上。“(射频前端器件)封装就把天线包在里面了，”是德科技5G技术架构师Mike Millhaem说，“所以在器件上没有射频接口和端子来连接到测试设备上。”

所以，传统的采用线缆连接的测试方法对于毫米波不适用。那么，该怎么来测试毫米波器件呢?

每家厂商有不同的测试方案，不过需要把几台昂贵的机器组合在一起才能完成对毫米波的测试测量。

“现在，毫米波测试的困难之一是这些频率的很多信号带宽很宽，”NI的Hall说，“毫米波器件的量产测试方法有现成的，但调制测试还没有。工程师能够买到100GHz或更高频率的矢量信号分析仪(VNA)，但矢量信号分析仪只适合测量S参数。”

矢量信号分析仪适合测量滤波器、耦合器与功放。“然而，矢量信号分析仪无法测试调制质量，但调制质量是射频芯片的重要参数。”Hall说道。

不过Hall认为28GHz器件是可以测量的，“28GHz 5G的标准要求500MHz带宽，这可以做没有问题。”

但是测量60GHz器件还是有难度，“有几家公司在开发802.11ad测试方案，但现在我相信没有一家WiGig的测试方案可以商用。”Hall说，“由于缺乏测试方法，工程师只能依靠‘标准被测器件’的方法，如果一颗WiGig射频芯片能够进行通信，我们认为这颗芯片就是好的。这种方法很不可靠，因为缺乏测试手段，所以现在市场上的WiGig产品很多都有质量问题。”

 

封装

军用毫米波产品大多采用陶瓷或者金属封装，这些封装可靠性很好，但是成本很高。

所以民用市场在考虑采用QFN封装和多芯片模组，以及其他适合毫米波的先进封装。“厂商也在扇出和嵌入式封装方面进行尝试。”日月光副总裁Harrison Chang说。

实际上，在毫米波芯片封装上，封装工程师必须考虑更多的因素，尝试更多的方法。“(毫米波的)射频前端要复杂得多，”Chang说，“我们必须保证封装的结构，例如连线、垫盘(pad)和通孔，使之不会妨碍到芯片上的射频设计。

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