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。5G技术能否成为现实,现在还是一个疑问。

不过,5G市场已经开始升温。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。完成5G网络部署还面临诸多挑战,举个例子,虽然设备商和芯片厂商已经在开发5G产品,但5G标准还没有确定。

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,将来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。”

虽然离5G真正实现尚有很长时间,但业界需要认真审视5G技术,以跟随发展到步伐。下面我们就从芯片、工艺、测试和封装等角度来详细分析一下5G技术现状。”

什么是5G?

到底什么是5G?为什么我们需要5G?现在,多数运营商部署的4G移动通信标准被成为LTE升级版(LTE Advanced ,为LTE标准的第10版,简称LTE-A)。根据4G技术规范,运营商部署了第四级(Cat 4)与第六级(Cat 6)LTE-A移动通信网络,第四级LTE-A下载速度可达150Mbps,第六级LTE-A下载速度更高,可达300Mbps。

再过一段时间,运营商将部署LTE-A Pro(为LTE标准的第13版),LTE-A被认为是4.5G技术,被看作通向5G的跳板。根据NI的资料,LTE-A Pro支持32个载波单元(LTE-A是5个),大规模多入多出技术(Massive MIMO)以及免费频段LTE技术等。这些技术都是5G技术的一部分,不过5G技术将进一步把工作频率拓展到毫米波频段。对于LTE-A Pro,运营商会部署第十级(Cat 10)移动网络,支持450Mbps下载速度,部分运营商会部署下载速度达1Gpbs的第16级(Cat 16)移动网络。

虽然现在4G网络速度还不错,但根据爱立信的估计,从2015到2021年,移动数据流量每年增长率在45%左右,到2021年每部手机每月数据流量将从2015年的1.4GB增长到8.9GB左右。

因为移动数据流量飞速增长等原因,人们对5G技术的需求是真实存在的。不同运营商提供的5G服务可能互有区别,但大体上每家运营商选择的5G技术都包括以下三项:增强型移动宽带、物联网和机器通信。

增强型移动宽带引入毫米波技术,可使移动数据传输速率超过10Gbps。5G网络容量是4G的1000多倍,传输延迟降低到4G的十分之一。物联网主要是指基于无线网络的技术,为了物联网更好的发展,现在业界也制定了一个窄带无线互联标准,成为窄带物联网(NBIOT)。同时,5G包含一种单独的机器对机器通信协议(M2M),5G中规定的M2M协议被称为LTE-M。

“5G中对低功耗和长电池寿命提出了要求,”NI首席市场经理 David Hall说,“ NBIOT和LTE-M都是为机器与机器通信而设计的,在现有移动通信协议上进行了修改,它们在射频方面都比较简单。”

那么引入这些标准的副作用在哪里? WiFi等无线技术都能被置于5G概念内,将是整个市场变得复杂、不确定甚至混乱。例如,5G或许会把60GHz无线网络技术(WiGig)包含进来,其他的无线标准也在不断涌现,例如LoRa和Sigfox。

但是不太可能(如果不是不可能)设计出一颗射频芯片支持所有国家的所有无线通信标准。“你能同时满足所有的需求吗?不能!”ADI公司通信基础设施部门首席技术官Thomas Camerson斩钉截铁地说。所以,将来运营商只会支持一部分5G标准。“(运营商的)目标是建成一个灵活的网络,可以满足细分的垂直市场需求。”Camerson说道。

此外,相比4G,毫米波信号传输距离变短,由于波长变短和空气吸收等因素影响,5G信号传播距离大约为200米。为了满足短距离传输范围的数据流量需求,5G将采用大规模多入多出技术(Massive MIMO),通过使用多根天线来倍增系统通信容量。从这个例子可以管窥5G网络有多复杂。

透视5G手机

4G手机里面的数字部分包括应用处理器和调制解调器,射频前端则包括功率放大器(PA)、射频信号源和模拟开关。功率放大器用于放大手机里的射频信号,通常采用砷化镓(GaAs)材料的异质结型晶体管(HBT)技术制造。

未来的5G手机也要有应用处理器和调制解调器。不过与4G系统不同,5G手机还需要相控阵天线。相控阵天线由一组可独立发射信号的天线组成,利用波束成型技术,每根相控天线都可以根据波束来调整方向。

5G智能手机中可能需要16跟天线。“每根天线都有独立的PA和移相器,并与一个覆盖整个工作频率的信号收发器相连,”Strategy Analytics行业分析师Chris Taylor说道,“理想的状况是把天线放在信号收发器上面,或者与收发器做在一起,所以信号收发器要有多个由小的PA组成的发射通道。所有进出天线的信号都在模拟域处理。”

用毫米波器件设计一个系统非常有挑战性。“很多客户不但关心系统的架构,还想知道究竟用什么技术来具体实现,”GlobalFoundries Rabbeni说道,“这很大程度上取决于系统要集成多少功能,以及如何划分子系统。”

“此外,布局布线对于毫米波的影响很大,”Rabbeni说,“各个部件之间靠得很近以减小损耗。处理毫米波电路不是一件容易事。”

相控阵器件通常由不同的工艺制造而成,不过现在多数采用标准CMOS工艺和硅锗(SiGe)工艺。“在毫米波相控阵/主动天线应用中,硅锗工艺已经得到了证明。”TowerJazz高级战略市场总监Amol Kalburge说。

"此外,硅锗材料可以把先进CMOS工艺和片上无源器件集成在一起,这样就减小系统级芯片(SoC)的面积以提高集成度,并在成本与性能的平衡上做到更好,”Kalburge说,“我们认为硅锗材料将在5G射频前端IC发挥重大作用,当然也会用到其他三-五价材料。”

“在6GHz频率以下的应用中,SOI工艺的开关将继续是主流,但SOI开关在毫米波频率的应用研究还不充分,其可发挥的作用与可能遇到的问题还是个未知数。波束成型天线可以支持不同的收发通道,所以在毫米波中有可能不需要天线开关也能实现两个通道的完全隔离。如果毫米波应用仍然需要模拟开关,现在的SOI工艺开关由于插入损耗高,很有可能不可用。SOI工艺的不足将给MEMS工艺开关或其他新技术带来机会。”Kalburge说道。

硅锗采用8英寸晶圆的标准CMOS制造流程,晶圆代工厂也在持续提高硅锗工艺的性能。例如,GlobalFoundries最近推出的130nm硅锗工艺,其工作频率最高可达340GHz,比旧工艺提高了25%。此外,TowerJazz最近也推出了130nm硅锗工艺。

与4G手机一样,5G手机也需要功率放大器。“毫米波应用中,功率放大器将是系统功耗的决定性因素,”三星美国研究中心的主任工程师Jeffery Curtis说道,“毫米波系统中有现成的功率放大器可用,但现在的毫米波系统对于射频前端的要求与移动通信中的要求有很大区别。”

三星已经为5G应用开发了一款28GHz的集成了低噪声放大器(LNA)和模拟开关的功率放大器。该器件使用0.15微米的GaAs工艺,“根据应用场景,对PA和LNA进行了特殊设计,我们把功耗降低了65%,”Curtis说,“将这些器件集成在一起减小尺寸,是把其应用到手机的关键一步。”

除了GaAs,业界也在尝试其他的三五价材料来制造PA,例如硅锗。“与制造PA所使用的其他工艺相比,GaAs在效率、线性度和频率范围等方面都有优势,”Strategy Analytics分析师Eric Higham说,“与硅基工艺相比,GaAs工艺的缺点是成本比较高,不易集成。”

Higham表示,GaAs代工厂大部分还采用4英寸晶圆来生产,但是为了降低成本,很多厂商开始把产线升级到6英寸。

在低频段,GaAs HBT的栅极长度通常在0.25至0.5微米之间,“要做到毫米波频率,多数器件厂商会选用栅极长度在0.1至0.15微米的工艺,”Higham说,“Qorvo推出了90nm的GaAs工艺,不过90nm已经是现在量产GaAs工艺的极限尺寸了。”

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。