運(yùn)營商、設(shè)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(biāo)準(zhǔn)（即5G）的制定。5G是現(xiàn)在4G（也稱為長期演進(jìn)項目，Long term evolution，即LTE）移動通信標(biāo)準(zhǔn)的下一代，5G數(shù)據(jù)傳輸速率可超過10Gbps，是現(xiàn)在LTE標(biāo)準(zhǔn)的100倍。5G技術(shù)能否成為現(xiàn)實，現(xiàn)在還是一個疑問。

　　不過，5G市場已經(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。

　　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，對應(yīng)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(yán)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(yīng)用處理器、基帶以及射頻器件。事實上，5G標(biāo)準(zhǔn)對射頻影響較大，需要一系列新的射頻芯片技術(shù)來支持，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5G也必然會采用。

　　把毫米波技術(shù)從航天軍工領(lǐng)域引入到商用市場并不容易?！昂撩撞夹g(shù)還面臨一些挑戰(zhàn)，”GlobalFoundries射頻市場總監(jiān)Peter Rabbeni說道，“設(shè)計與設(shè)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?！?/p>

　　設(shè)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?！盢I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?！?/p>

　　雖然5G技術(shù)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(wù)，韓國電信與三星則計劃2018年冬奧會期間提供5G服務(wù)，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(wù)，”Forward Concepts總裁Will Strauss說，“當(dāng)然，2018年會有5G試運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)提供高速移動通信服務(wù)，不過那時候能夠買得起5G手機(jī)的人非常少?！?/p>

　　雖然離5G真正實現(xiàn)尚有很長時間，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、測試和封裝等角度來詳細(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)營商部署的4G移動通信標(biāo)準(zhǔn)被成為LTE升級版（LTE Advanced ，為LTE標(biāo)準(zhǔn)的第10版，簡稱LTE-A）。根據(jù)4G技術(shù)規(guī)范，運(yùn)營商部署了第四級（Cat 4）與第六級（Cat 6）LTE-A移動通信網(wǎng)絡(luò)，第四級LTE-A下載速度可達(dá)150Mbps，第六級LTE-A下載速度更高，可達(dá)300Mbps。

　　再過一段時間，運(yùn)營商將部署LTE-A Pro（為LTE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個載波單元（LTE-A是5個），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5G技術(shù)將進(jìn)一步把工作頻率拓展到毫米波頻段。對于LTE-A Pro，運(yùn)營商會部署第十級(Cat 10）移動網(wǎng)絡(luò)，支持450Mbps下載速度，部分運(yùn)營商會部署下載速度達(dá)1Gpbs的第16級（Cat 16）移動網(wǎng)絡(luò)。

　　雖然現(xiàn)在4G網(wǎng)絡(luò)速度還不錯，但根據(jù)愛立信的估計，從2015到2021年，移動數(shù)據(jù)流量每年增長率在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增長到8.9GB左右。

　　因為移動數(shù)據(jù)流量飛速增長等原因，人們對5G技術(shù)的需求是真實存在的。不同運(yùn)營商提供的5G服務(wù)可能互有區(qū)別，但大體上每家運(yùn)營商選擇的5G技術(shù)都包括以下三項：增強(qiáng)型移動寬帶、物聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器通信。

　　增強(qiáng)型移動寬帶引入毫米波技術(shù)，可使移動數(shù)據(jù)傳輸速率超過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)界也制定了一個窄帶無線互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，成為窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NBIOT）。同時，5G包含一種單獨(dú)的機(jī)器對機(jī)器通信協(xié)議（M2M），5G中規(guī)定的M2M協(xié)議被稱為LTE-M。

　　“5G中對低功耗和長電池壽命提出了要求，”NI首席市場經(jīng)理 David Hall說，“ NBIOT和LTE-M都是為機(jī)器與機(jī)器通信而設(shè)計的，在現(xiàn)有移動通信協(xié)議上進(jìn)行了修改，它們在射頻方面都比較簡單?！?/p>

　　那么引入這些標(biāo)準(zhǔn)的副作用在哪里？ 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。

　　此外，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。從這個例子可以管窺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，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。

　　未來的5G手機(jī)也要有應(yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器。不過與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，并與一個覆蓋整個工作頻率的信號收發(fā)器相連，”Strategy Analytics行業(yè)分析師Chris Taylor說道，“理想的狀況是把天線放在信號收發(fā)器上面，或者與收發(fā)器做在一起，所以信號收發(fā)器要有多個由小的PA組成的發(fā)射通道。所有進(jìn)出天線的信號都在模擬域處理?！?/p>

　　用毫米波器件設(shè)計一個系統(tǒng)非常有挑戰(zhàn)性?！昂芏嗫蛻舨坏P(guān)心系統(tǒng)的架構(gòu)，還想知道究竟用什么技術(shù)來具體實現(xiàn)，”GlobalFoundries Rabbeni說道，“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，布局布線對于毫米波的影響很大，”Rabbeni說，“各個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?！?/p>

　　“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題還是個未知數(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)也能實現(xiàn)兩個通道的完全隔離。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)帶來機(jī)會?！盞alburge說道。

　　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，”三星美國研究中心的主任工程師Jeffery Curtis說道，“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)對于射頻前端的要求與移動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)用場景，對PA和LNA進(jìn)行了特殊設(shè)計，我們把功耗降低了65%，”Curtis說，“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材料來制造PA，例如硅鍺。“與制造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，”Strategy Analytics分析師Eric Higham說，“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英寸晶圓來生產(chǎn)，但是為了降低成本，很多廠商開始把產(chǎn)線升級到6英寸。

　　在低頻段，GaAs HBT的柵極長度通常在0.25至0.5微米之間，“要做到毫米波頻率，多數(shù)器件廠商會選用柵極長度在0.1至0.15微米的工藝，”Higham說，“Qorvo推出了90nm的GaAs工藝，不過90nm已經(jīng)是現(xiàn)在量產(chǎn)GaAs工藝的極限尺寸了?！?/p>

　　基礎(chǔ)設(shè)施

　　實際應(yīng)用中，帶相控陣天線的手機(jī)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(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)?；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(chǔ)設(shè)施也會移到更高的頻率以拓寬數(shù)據(jù)帶寬，”穩(wěn)懋半導(dǎo)體高級副總裁David Danzilio說道，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(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，“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，5G手機(jī)中的PA甚至也可以用GaN來制造?！癎aN也會被采用，特別是在高頻率應(yīng)用。”Qorvo無線基礎(chǔ)設(shè)施與產(chǎn)品事業(yè)部總經(jīng)理 Sumit Tomar說。

　　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(jī)。

　　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(shè)備連起來，”NI的Hall說，“采用線纜連接射頻芯片和測試設(shè)備是為了避免測試由于路徑損失等原因?qū)е碌牟淮_定性?！?/p>

　　不過藍(lán)牙等射頻芯片在測試時，也會進(jìn)行輻射測量。量產(chǎn)測試時，芯片廠商則會采用相應(yīng)的自動化測試設(shè)備（ATE）來進(jìn)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(shù)架構(gòu)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(shè)備上?！?/p>

　　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(jī)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)?！?/p>

　　矢量信號分析儀適合測量濾波器、耦合器與功放?！叭欢噶啃盘柗治鰞x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。”

　　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?！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(jìn)封裝。“廠商也在扇出和嵌入式封裝方面進(jìn)行嘗試?！比赵鹿飧笨偛肏arrison 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(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。”