5G毫米波前端GaAs基芯片新突破
5G通信已經成為人們生活的部分，其中具備高速率、高容量、低延時的5G 毫米波逐漸成為關注的重點，其巨大的市場前景引起了業(yè)界廣泛的布局和投入。業(yè)界為5G毫米波通信提供了多種芯片方案（GaAs/GaN毫米波前端方案和Si/GeSi基毫米波前端方案）和部署方案，呈現(xiàn)百花齊放、各家爭鳴的特點，但現(xiàn)狀是所有芯片方案都需要極大的改進或進步。行業(yè)需要一種性能全面優(yōu)異且成本實惠的芯片方案和部署方案來解決5G 毫米波通信的基礎芯片難題，以便5G毫米波通信產生更好的經濟效益，更好的滿足人們的預期。
深圳市晶準通信技術有限公司（以下簡稱“晶準通信”）面向5G 毫米波通信應用，在5G毫米波MMIC進行了理論探索和產品研制，提出了GaAs基異構芯片方案，成功實現(xiàn)了GaAs基工藝的業(yè)界最佳的單位面積功能集成度和最佳性能集成度，這一標志性突破將極大的降低面向5G 毫米波通信和毫米波雷達的化合物基毫米波芯片成本以及尺寸，具有巨大的潛在經濟效益。目前所完成的產品驗證包括5G毫米波TR 前端芯片（如圖.1所示）、毫米波功率放大器（PA）、毫米波低噪聲放大器（LNA）、毫米波高功率開關（HP_SPDT）、毫米波小尺寸開關（LP_SPDT）等，其中5G毫米波TR 前端芯片的尺寸為行業(yè)同功能GaAs TR MMIC尺寸的1/4 以下。晶準通信將5G毫米波相關的產品功能的尺寸降低至現(xiàn)有市場商用產品尺寸的1/10~1/4，幾乎將成本做到接近Si/GeSi基毫米波芯片的成本，同時保持數(shù)倍于Si/GeSi基毫米波芯片的性能，打破了GaAs在MMIC應用以來數(shù)十年功能集成度和性能集成度難以提升的行業(yè)瓶頸，并為GaAs等化合物基毫米波芯片相對Si/GeSi基毫米波芯片在普通商用領域展現(xiàn)出絕對的優(yōu)勢。
特別說明的是，晶準通信的雙通道毫米波PA（如圖.3所示）（>25dBm）的功率密度接近0.8W/mm2（其中PA核心區(qū)域的功率密度超過1 W/mm2），幾乎接近同頻段下的GaN MMIC功率密度。
5G 毫米波通信現(xiàn)狀
移動通信經歷過數(shù)十年和5個世代的發(fā)展，為社會帶了巨大的變化，融入了人們生活的每個細節(jié)?，F(xiàn)在，第5代移動通信（5G）在世界主要國家已經廣泛部署，逐漸成為人們生活的主要通信方式。在5G 的部署方案中，第一次出現(xiàn)工作于毫米波頻段的新方案，5G毫米波通信方案與Sub-6G的或2G～4G的部署方案具有顯著不同的特點：一是毫米波通信鏈路采用全新的硬件架構；二是毫米波的應用基于解決新的通信瓶頸或為滿足新的需求。
關于Sub-6G的部署方案，眾所周知：基于算法優(yōu)化的通信算法已經逼近香濃定律指示的極限；可使用頻段非常有限，通信業(yè)界甚至采取退網2G、3G、4G以便獲取5G通信頻段的方式擴展Sub-6G的通信的容量；采取數(shù)字波束賦形算法獲取系統(tǒng)容量提升需要付出足夠高的算力資源和電力能源，單位比特成本效益和能耗效益的提升相對4G非常有限。Sub-6G的方案已經遇到難以克服的科學瓶頸和工程瓶頸。業(yè)界科學家、研究機構和產業(yè)公司將目光放到6GHz以上的頻段，積極謀取頻段授權和進行產業(yè)基礎布局。
5G通信部署網絡中出現(xiàn)的新的毫米波頻段（FR2）通信方案已經在部分國家規(guī)?；逃茫鄬ub-6G的部署規(guī)模來說還非常小。5G毫米波通信網絡相對Sub-6G通信網絡具有幾個新特性：更高的容量和速率；更低的延時；可構建絕對安全的物理信道；更高的理論的單比特成本效益和能耗效益；精準的物理定位和多功能感知應用；數(shù)十倍以上的可使用帶寬（結合波束賦形等技術，毫米波載波系統(tǒng)相對Sub-6G可實現(xiàn)上千倍通信容量提升）等，在人們突破香濃定律預示的理論極限或工程上實現(xiàn)更高效率的算力芯片或更高性能的功率器件之前，采用毫米波網絡構建移動通信可以滿足未來十年甚至數(shù)十年人們對通信的需求。
5G毫米波通信部署難點與待解決問題
現(xiàn)在的5G毫米波的推廣和部署為什么困難重重呢？了解到我國優(yōu)先部署技術方案相對成熟和具有產業(yè)自主基礎的Sub-6G網絡，毫米波部署網絡雖然已經開始發(fā)放商用牌照，但是進展相對較為緩慢；毫米波元器件產業(yè)相對較為發(fā)達的歐美、日韓已經開始規(guī)?；撩撞ňW絡，但相對比重不到5G部署總量的1/2。由此不難推測，5G毫米波網絡部署中面臨著難題，即現(xiàn)已部署的毫米波網絡跟理想中的毫米波網絡具有顯著的差距或在使用體驗上需要做出巨大的改善。
我們簡單的分析一下現(xiàn)在部署的毫米波網絡的大致情況：5G毫米波移動終端主要采用高通公司的5G套片方案，業(yè)界主要的其他幾家通信設備公司相繼推出了支持毫米波通信的基帶芯片，但是在毫米波通信終端AIP模塊上還在繼續(xù)改進和優(yōu)化，努力探索新方案；在5G基站領域，世界各大公司都推出了商用的毫米波基站方案，大多采用了256～1024相控陣單元的有源天線陣列，而支持毫米波鏈路的射頻元器件多采用Si CMOS和GeSi BiCMOS器件工藝制作，具備典型的射頻、數(shù)模混合集成電路的特點。基于Si CMOS或GeSi BiCMOS的毫米波芯片在射頻（毫米波頻段）性能至關重要的幾個參數(shù)上，相對化合物基毫米波芯片不占據優(yōu)勢：例如接收鏈路的噪聲系數(shù)和線性動態(tài)范圍、發(fā)射鏈路的輸出功率和效率以及頻率源的相位噪聲等（毫米波鏈路示意圖如圖.2）。
在無線通信中，可以用幾個關鍵的參數(shù)指標來衡量通信設備的硬件性能：信號輻射范圍、信道誤碼率、信號鏈接穩(wěn)定性。（如圖.1）信號輻射范圍或信號輻射距離由信號的發(fā)射端發(fā)射功率以及接收端鏈路的接收靈敏度和路徑傳播損耗共同決定。舉一個簡單的例子來說明：在傳輸距離不變、發(fā)射端和接收端天線增益不變的前提下，接收鏈路的噪聲系數(shù)降低3 dB,相應的發(fā)射端發(fā)射功率可以降低約3 dB。假設基站發(fā)射天線的能耗效率不變，采用化合物芯片的終端可使基站發(fā)射天線降低約一半的功耗。由此計算出數(shù)百萬或數(shù)千萬的基站部署數(shù)量時，能耗降低一半這種優(yōu)勢表現(xiàn)為顯著的利于節(jié)能和降低對電力能源的需求，基站設備的供電設備和設備的成本壓力也將極大的改善。目前，行業(yè)各大公司提供的Si CMOS或GeSi BiCMOS的毫米波芯片單通道輸出功率為10～20 dBm，接收噪聲4.5～6.5dB,（在TR集成下，Si/GeSi基芯片發(fā)射與接收性能難以兼顧，）大多采用256～1024單元陣列規(guī)模，毫米波通信基站有源陣列天線性能的提高需更大規(guī)模數(shù)量的芯片和天線單元，實際表現(xiàn)為設備性能提升比率將逐步降低，而成本提升比率將逐步提高。同時，大尺寸天線或AAU設備在部署和維護的成本相對較高，由此引起的外觀美化、設備穩(wěn)定度都有所下降。
另外，采用Si/GeSi基毫米波芯片的毫米波基站天線陣列需要數(shù)百個天線陣子，以便得到較高的陣列天線增益；但從另一個角度看，這種規(guī)模的天線陣列的輻射波束角較為狹窄，在基站部署輻射范圍約50-300米的輻射范圍內，每一個波束覆蓋的有效區(qū)域非常小，基站與用戶的相互確認過程（波束對準和身份識別）需要耗費較大的時間，相應的鏈接穩(wěn)定性將隨著用戶的移動速率的提高迅速變差，毫米波通信的速率優(yōu)勢難以發(fā)揮。
如果毫米波芯片能夠提高發(fā)射功率和降低接收噪聲系數(shù)，毫米波基站的輻射效率和基站與用戶的鏈接穩(wěn)定性將會得到極大的改善，同時有利于降低能耗。
代表著高性能的GaAs/GaN毫米波芯片的性能幾乎可以接近理想的滿足設備的性能期望值，但是現(xiàn)有行業(yè)的化合物基毫米波芯片的尺寸與成本是行業(yè)認為的難以接收的門檻。例如，一個完整的支持波束賦性的收發(fā)前端（包括：收發(fā)開關、功率放大器、低噪聲放大器、幅相控制器），如果采用Si CMOS 或GeSi BiCMOS的工藝，大概尺寸可以做到1.5～5.0 mm2,而采用化合物工藝的尺寸大約在8～30 mm2（在此，我們先忽略尺寸與性能的關系）；另外，Si CMOS或GeSi BiCMOS的功能集成度相對化合物工藝有著顯著的優(yōu)勢；再者，單位成本角度看，化合物芯片的單位成本是Si或GeSi的數(shù)倍。從毫米波天線陣列的角度看，如果我們簡單的進行一下思考：一個收發(fā)鏈路對應一個天線單元，那么毫米波芯片必須滿足毫米波陣列天線中天線間距的要求。以5G通信采用的中心頻率26GHz的頻段為例，半波長的天線間距大約為5.5um,現(xiàn)有的商用化合物芯片在尺寸上很難滿足或滿足不了（瓦片式方案）要求。綜合的看，目前業(yè)界普遍將毫米波通信所采用的元器件的突破或選型方案放在Si或GeSi 工藝的芯片方案上，體現(xiàn)了行業(yè)中先做出來后優(yōu)化的思路，多數(shù)的毫米波芯片都不斷尋求優(yōu)化方案。但從本質上來講，半導體材料決定了對應毫米波芯片性能的上限，電路上能提升性能但較為有限。
從現(xiàn)實角度看，行業(yè)傾向選擇了現(xiàn)有較為可行的Si或GeSi基工藝方案作為主流商用方案，即主流基站方案選擇了性能較為優(yōu)異的GeSi基BiCMOS工藝路線，移動終端選擇了Si基CMOS工藝路線。不過非?？上У氖?，已部署的5G毫米波網絡目前體驗感需要提升、部署成本需要降低，經濟效益較Sub-6G方案沒有體現(xiàn)理論上應該具備的優(yōu)勢。如果選擇Si或GeSi基方案繼續(xù)前行，將在使用體驗上充滿阻力，在經濟效益指標上面臨壓力。
晶準通信在5G毫米波GaAs基MMIC上的
突破與性能優(yōu)勢
晶準通信的團隊基于多年的MMIC設計經驗積累以及來自設備商和運營商對毫米波芯片的期望，經歷約多年的積極探索研究，提出了兼顧性能、成本以及具備現(xiàn)實產業(yè)基礎的異構芯片方案：即化合物基電路實現(xiàn)完整的射頻鏈路，Si基電路實現(xiàn)控制與能源管理功能。這種方案可以完全基于現(xiàn)有的產業(yè)基礎，降低了中高端工藝的需求，可以滿足部署毫米波網絡的極大規(guī)模需求。晶準通信的第一次流片就較為成功的驗證了新方案路線的MMIC產品可行性，并向行業(yè)伙伴和潛在用戶送樣。
晶準通信向業(yè)界報告的毫米波MMIC產品進展：包括TR MMIC（如圖.1）、雙通道PA MMIC（如圖.3）、LNA MMIC（如圖.4）等毫米波MMIC芯片。
以TR集成毫米波前端芯片（如圖.2）為案列進行分別功能模塊介紹，主要包括4個模塊：發(fā)射鏈路功率放大器PA、高功率非對稱開關HP_SPDT、接收鏈路低噪聲放大器LNA、集成小尺寸開關LP_SPDT。幾種毫米波功能模塊在毫米波相控陣系統(tǒng)中占據至關重要的角色，并占據最大的尺寸比重，每一種功能都影響毫米波多通道芯片的成本、性能以及使用便捷性。
基于產品驗證和業(yè)界需求，結合TR芯片中的PA功能模塊構架了一種雙通道PA（如圖.3）。
圖.3右側簡介了雙通道PA MMIC的照片和輸出功率，在24-28 GHz的整個帶寬里輸出功率大于25 dBm,增益大約10-15 dB，且較為平坦。我們還測試了P-1與P-3的差別，相差不到0.3 dB，顯示該PA具有優(yōu)秀的線性特性。該PA（2級）直流偏置不到80mA，在多通道集成芯片中完全滿足系統(tǒng)散熱指標要求（散熱指標限制值由設備商伙伴提供，為定義PA或TR的輸出功率提供了設計依據）；核心電路尺寸不到0.35mm2,功率密度達到約1W/mm2 。在產業(yè)界和學術界的報道中，該雙通道PA輸出功率密度處于最高功率密度水平，幾乎和GaN基商用毫米波PA MMIC的功率密度持平。
圖.4簡介了3級LNA MMIC（與圖.1中TR芯片中LNA相同）的照片和測量噪聲系數(shù)，在24-28 GHz的整個帶寬里接收噪聲系數(shù)約不到2dB,增益大約20 dB，且較為平坦。該LNA MMIC輸出P-1大于10 dBm；核心電路尺寸不到0.30 mm2。在產業(yè)界和學術界的報道中，是同等性能和功能前提條件下最小化合物基LNA尺寸（同等性能下），幾乎是現(xiàn)有同功能商用產品尺寸的1/4以下。
圖.5簡介了射頻前端的前置開關HP_SPDT（由于尺寸太小，不方便獨立成產品）的插入損耗測量結果，為了滿足PA的輸出功率線性度要求和LNA的低噪聲以及隔離要求，該開關采用了全新的設計，核心尺寸不到0.15 mm2，發(fā)射鏈路損耗小于0.8 dB, 接收鏈路損耗約1.2 dB,隔離度大于25 dBc。在產業(yè)界和學術界的報道中，該開關是同等性能下為行業(yè)最小尺寸。
圖.6簡介了射頻前端的小尺寸開關LP_SPDT（由于尺寸太小，不方便獨立成產品）的插入損耗測量結果，核心尺寸不到0.02 mm2，插入損耗約1.5 dB，該開關輸入P-1大于10 dBm,隔離度大于20 dBc，用于收發(fā)鏈路信號切換。在產業(yè)界和學術界的報道中，該開關占用芯片尺寸是所有毫米波開關中的最小尺寸水平。
綜合上述，晶準通信實現(xiàn)了基于GaAs工藝的高度的集成度驗證，并驗證了高度集成設計下的芯片產品性能。在TR集成芯片中，可表現(xiàn)為發(fā)射輸出功率大于24 dBm, 接收噪聲系數(shù)約3 dB,核心部分尺寸低于1 mm2, 在業(yè)界展示出最高的單位尺寸功能集成度和單位功能性能集成度。與行業(yè)中的同功能類型或同應用類型的Si/GeSi基毫米波芯片相比，發(fā)射輸出功率相對行業(yè)Si/GeSi主流芯片產品的發(fā)射輸出功率有4～10 dB的提升，接收噪聲有2～3 dB的性能提升,而芯片核心尺寸低于大部分Si/GeSi TR（同功能部分）芯片的尺寸，打破了業(yè)界關于GaAs毫米波芯片難以滿足毫米波相控陣天線間距的認知限制，并做到了完全超越Si基毫米波TR芯片的射頻功能和性能集成密度。
晶準通信將向5G通信設備商伙伴提供集成4通道、8通道（支持雙極化）的5G毫米波MMIC芯片或AIP模組（如圖.7所示）。預期8通道芯片JC1101（如圖.7所示）尺寸約5*6 mm2,輸出功率P-1大于24 dBm,接收噪聲系數(shù)小于3dB，支持雙極化和波束獨立賦形。
晶準通信5G 毫米波GaAs 基芯片的應用優(yōu)勢
為了更直觀的分析晶準通信異構方案在5G毫米波部署網絡中體現(xiàn)的積極意義，在關于毫米波通信的兩個維度進行了對比分析：一個是通信鏈路（上行鏈路與下行鏈路）中的性能收益（如圖.8所示）；另一個是5G毫米波網絡部署的經濟效益（如圖.9所示）。
對比分析選擇了行業(yè)中輸出功率能力最高的GeSi BiCMOS毫米波產品（某公司4通道波束賦形芯片：輸出功率20 dBm）來構建基站設備，同時參考較為優(yōu)秀的Si CMOS芯片構建終端AIP，共同構成業(yè)界典型的部署案列，為組合1；基于晶準通信已獲得產品（驗證）性能用于構建組合2。（本文對所述參考對象的產品來自學術界相關論文（與產品相關聯(lián)），數(shù)據如有錯誤，歡迎指正修改。）組合1與組合2的對比分析結果和毫米波鏈路性能收益如圖.8所示，可見，基于組合2方案部署的毫米波信號鏈路在通信上行鏈路和下行鏈路都取得優(yōu)異性能提升，大大提升了毫米波網絡部署的經濟效益。
在構建用于5G毫米波通信的單極化相控陣天線中，對于輻射EIRP為64 dBm (P-1)的基站天線設備，僅需要晶準通信的TR芯片約64通道，在大規(guī)模量產下，相應的裸片生產成本低于1000元，低于同樣性能（EIRP輻射值）下Si/GeSi基工藝的裸片總成本；在基站設備的其他部分，有效天線面積可以縮小至25%（相對Si基毫米波方案基站），波束算法成本、電源管理成本、電力能耗也將顯著的降低。如圖.9所示，晶準通信的芯片將極大的有利于毫米波信號覆蓋的改善和鏈接穩(wěn)定性。從產業(yè)基礎、最佳能源效率、最小部署難度、部署成本等角度看，晶準通信的異構毫米波芯片方案將成為更為優(yōu)異的選擇，在此不進行詳細描述。
綜合上述，晶準通信在毫米波MMIC芯片的產品突破將極大的降低5G毫米波基站的成本，為毫米波移動通信網絡的部署提供具有顯著經濟效益，利于5G 毫米波通信的應用領域的拓展和大規(guī)模部署。在可預見的將來，毫米波通信的每比特硬件成本和每比特能耗將降低至現(xiàn)有已部署網絡的1/100以下，并將遠低于Sub-6方案。
晶準通信在毫米波感知領域布局的新方案
隨著汽車電動化、智能化浪潮的推進，提供安全保障的感知層作為核心模塊，受到了行業(yè)的關注。其中，核心感知元器件之一毫米波雷達迎來高速增長周期，市場超過300億元人民幣。晶準通信為滿足毫米波雷達的高速發(fā)展和性能需求，積極提出了全集成的76-81 GHz（兼顧77 GHz和79 GHz應用）多通道集成雷達芯片、92-96 GHz（高精度感知和測量應用）多通道集成雷達芯片以及24 GHz（無人機前置雷達和智慧道路應用）多通道集成雷達芯片等芯片方案，有望在不久的將來向業(yè)界的伙伴提供MMIC產品。以下簡單介紹晶準通信E波段JC1501（晶準通信定義的產品型號）雷達芯片方案的特點和優(yōu)勢。
晶準通信即將推出的JC1501（如圖.10所示） E波段芯片方案集成4個發(fā)射通道和4個接收通道以及可重構模塊，單通道發(fā)射功率P-1大于20 dBm，接收噪聲系數(shù)約5～6 dB;可重構模塊可以為用戶提供多種硬件配置，實現(xiàn)近距雷達、中遠距距雷達的硬件的靈活構建和瞬態(tài)切換。JC1501發(fā)射鏈路支持模擬波束賦形，接收鏈路支持數(shù)字波束賦形，其中多顆JC1501可以構建大規(guī)模陣列，實現(xiàn)更遠距離輻射功能和并行多功能雷達功能。JC1501內部集成多個濾波器，有效抑制了中頻、接收射頻以及本振信號的干擾，以及提高了相關信號的諧波抑制度，使JC1501預期可以得到較為優(yōu)異的信號頻譜純凈度，這一特性在雷達應用中非常重要。JC1501還可支持不同溫度下幅度自補償和幅相數(shù)字補償。在由多顆JC1501芯片構建的大規(guī)模陣列中，可實現(xiàn)多功能、多波束、4D成像等高性能多功能雷達。為了滿足毫米波感知的各種應用場景，采用了可配置信號鏈路方案，該方案可滿足毫米波不同測距、多種應用場景。
JC1501在用戶選擇合適的MCU搭配下（如圖.11所示），可以開發(fā)車載感知或智能駕駛、場景檢測、高靈敏感知等應用設備。業(yè)界已通過車規(guī)認證的MCU種類都已比較可觀，這將為JC1501在車載雷達領域的發(fā)展奠定有利基礎。JC1501的封裝尺寸約為6*6.4 mm?,預期成本趨近于現(xiàn)有業(yè)界Si/GeSi 基工藝的類似功能的毫米波芯片的成本，但可以為用戶的設備提升數(shù)倍的射頻性能。由于JC1501的毫米波鏈路獨立于雷達算法部件，因此，無論雷達算法需要多大的算力以至于要求算力硬件（MCU）不斷提升性能，JC1501將可以繼續(xù)不變。JC1501優(yōu)異的性能可以適配毫米波雷達不斷發(fā)展的技術，在寬廣的應用領域和雷達更新?lián)Q代中維持量產交付，這一特點將顯著的利于JC1501成本控制和質量管理。JC1501在76-81GHz雷達領域可實現(xiàn)一芯走天下，一芯“樹長青”。
毫米波汽車雷達在電動化和智能駕駛的發(fā)展潮流下，正朝著更高測量精度、測量距離和多目標成像等目標發(fā)展。JC1501相對現(xiàn)有商用毫米波產品有著明顯的射頻性能優(yōu)勢，對比結果如表.1所示, JC1501收發(fā)鏈路的信噪比提升超過12 dB以上,理論上有助于雷達實現(xiàn)輻射距離提升一倍。JC1501可構建瞬態(tài)切換功能的雷達，可以支持同時探測輻射方向的微距、近距、中長距，是性能較為全面的汽車感知部件。目前業(yè)界的汽車前置中長距雷達普遍為150-250 m，采用JC1501芯片（JC1501多芯片組）的雷達有望實現(xiàn)提升一倍以上的探測距離，這一突破有利于汽車雷達在惡劣的天氣下還可以保持優(yōu)異的雷達探測效果，或者有助于汽車雷達識別路面平坦精度或路面上的不利于行車安全的更小尺寸的異物。毫米波MMIC性能的提升有助于汽車行駛安全，進一步有助于高級別智能駕駛進入人們的生活。JC1501有望在未來十年中展現(xiàn)性能優(yōu)勢，引領毫米波雷達領域的技術新趨勢。
敬請關注電子技術應用2023年2月22日==>>商業(yè)航天研討會<<
