关于5G毫米波相控阵的调研

关于5G毫米波相控阵的调研摘要：当今，5G市场已经开始升温，各厂家（Anokiwave、博通、英特尔、Qorvo、高通、三星、华为）正在开发5G芯片，5G已经成为中国乃至国际市场上的一种潮流。本报告主要对5G毫米波的现状、面临挑战、以及涉及工艺进行调查，从而了解衰减器与移相器在5G60GHz情况下的发展前途。关键词：5G;毫米波；60GHz;28GHz；SiGe；一关于5G（一）：5G的基本概念第五代移动电话行动通信标准，也称第五代移动通信技术，外语缩写：5G。也是4G之后的延伸，正在研究中，网速可达5M/S-6M/S.(二)：发展状况及影响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。1、发展2G：是第二代手机通信技术规格的简称，一般定义为无法直接传送如电子邮件、软件等信息；只具有通话和一些如时间日期等传送的手机通信技术规格。3G：第三代移动通信技术（3rd-generation，3G），是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百kbps以上4G：是第四代移动通信及其技术的简称，3G是第三代移动通信技术的简称。相比3G，4G带宽更高，能够传输更高质量的视频及图像。5G：网络将有更大的容量和更快的数据处理速度，通过手机、可穿戴设备和其它联网硬件推出更多的新服务将成为可能。5G的容量预计是4G的1000倍2、状况国内：早在2009年，华为就已经展开了相关技术的早期研究，并在之后的几年里向外界展示了5G原型机基站。华为在2013年11月6日宣布将在2018年前投资6亿美元对5G的技术进行研发与创新，并预言在2020年用户会享受到20Gbps的商用5G移动网络。国际：日本期望于2020年开始运作。英国预计于2018年投入公众测试，2020年正投入商用欧盟的5G网络将在2020年~2025年之间投入运营3、影响：从用户体验看，5G具有更高的速率、更宽的带宽，预计5G网速将比4G提高10倍左右，只需要几秒即可下载一部高清电影，能够满足消费者对虚拟现实、超高清视频等更高的网络体验需求从行业应用看，5G具有更高的可靠性，更低的时延，能够满足智能制造、自动驾驶等行业应用的特定需求，拓宽融合产业的发展空间，支撑经济社会创新发展。从发展态势看，5G目前还处于技术标准的研究阶段，今后几年4G还将保持主导地位、实现持续高速发展。但5G有望2020年正式商用（三）社会评价：欧盟数字经济和社会委员古泽·奥廷格表示，5G必须是灵活的，能够满足人口稠密地区、人口稀疏地区以及主要的交通线等各种场景的需要对信息通信业而言，今年全国“两会”透露的信息着实令人振奋。不仅李克强总理在政府工作报告中指出我国已建成全球最大的4G网络，为4G点赞，而且“十三五”规划纲要（草案）中明确提出，将积极推进第五代移动通信（5G）和超宽带关键技术研究，启动5G商用。二关于毫米波（一）微波的频段划分微波按波长不同可分为分米波，厘米波、毫米波及亚毫米波，分别对应于特高频UHF（0.3～3GHz）、超高频SHF（3～30GHz）、极高频EHF（30～300GHz）及至高频THF（300GHz～3THz）。微波部分频段的代号代号频段（GHz）波长（cm）L1-230-15S2-415-7.5C4-87.5-3.75X8-133.75-2.31Ku13-182.31-1.67K18-281.67-1.07Ka28-401.07-0.75（二）什么是毫米波实际上，毫米波是指波长在1～10毫米的电磁波，其频率大约在30GHz~300GHz之间。它位于微波与远红外波相交叠的波长范围，因而兼具两种波普的特点。理论上讲，毫米波是光波向低频的发展与微波向高频的延伸。从通信原理来看，无线通信最大信号带宽约在载波频率的5%左右，也就是说，载波频率越高，其可实现的信号带宽也就越大。此外，在毫米波频段中，28GHz与60GHz是最有望应用在5G通信的两个频段。（三）毫米波的特性优点：从理论上讲，毫米波是光波向低频的发展与微波向高频的延伸。由于毫米波的独有特性，使其在传播时不易受到自然光和热辐射源的影响，不光是通信，其还可应用于雷达、制导等诸多领域。缺点：尽管毫米波技术用途广泛，但其也不可避免地存有短板。例如其传播距离最多只能在200米左右，无法实现远距离传输，又或是毫米波的穿透能力不强，在空气中衰减较大，遇到墙或者其他阻碍就无法发挥作用。（四）毫米波的应用毫米波技术最早应用在航空军工领域，如今汽车雷达、60GHzWi-Fi都已经采用，将来5G也必然会采用。三毫米波与5G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。（一）高通谈5G不是只有快28GHz频段毫米波首度展出高通（Qualcomm）更在MWC期间演示採用28GHz频段的5G毫米波技术（MillimeterWave），同时宣布与爱立信合作，并且加入中国移动5G联合创新中心。DurgaMalladi特别提到，为什么高通要演示基于28GHz的5G毫米波。由于现在大部分手机的工作频段都是在2GHz、2.6GHz或3.5GHz，过去整个蜂窝无线网路从来没有在28GHz这个频段上进行探索过，因为在这麽高的频段，讯号很容易受到阻挡，可能很小的移动就会让网路无法连接。现在我们打电话，即使随意转动也不会影响通话质量，但是在28GHz的频段下，当你转一个方向，你的头部也许就会成为障碍物，阻挡了讯号，同时也影响手机的使用，而这项技术的挑战难度在于如何利用这个频谱，使其发挥作用。高通进行5G毫米波28GHz演示，展现调适性波束成型与波束追踪技巧，在设备间无障碍物（LOS）以及非直视性（NLOS）的射频通道条件下能进行稳定持续的宽频通讯，以及优异的装置行动力。DurgaMalladi表示，高通利用波束形成、波束追踪等技术解决，当小基站不动，UE在移动，波束就会随着它的移动而去自动追踪它，这样就可以确保两者之间的连接还是保持在一个非常稳定的状态。UE:5G新空口原型系统包括基站和用户设备UE，并充当试验平台以验证5G新空口功能，支持超过100MHz的大射频带宽，可实现每秒数千兆比特的数据传输速率；它还支持全新的集成子帧设计，空口传输时延较当今4GLTE网络显着降低。高通执行副总裁CristianoAmon表示，高通预计2018年进行5G原型设计和测试，商用服务预计会在2020年实现。高通工程技术副总裁DurgaMalladi强调，5G不仅是行动宽频的概念，还是一个系统，将来所有产业的升级。（二）5G毫米波面临的挑战（1）测试难题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，“28GHz5G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。”（2）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HarrisonChang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。（3）标准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ThomasCamerson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。（4）传播相比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（MassiveMIMO），通过使用多根天线来倍增系统通信容量（5）功耗毫米波收发机要求CMOS器件能工作在毫米波频段，所以要求CMOS器件对信号的灵敏度很高。我们可以参照日常生活中的水龙头来说明这个问题。大家一定都经常有开关水龙头的经验，很多水龙头在关着时，需要拧很多下才会出来一点点水，然后随着水流越来越大，只要多拧一点点水流就会变大很多。在这里，手拧龙头的动作就是激励信号，而对应的水流变化就是输出响应。CMOS器件本质上和水龙头很像，都是通过控制端（即CMOS的栅极）调整输出流量（对水龙头是水流，对CMOS则是输出电流）。因此，如果需要CMOS器件对微弱的毫米波信号能快速响应，必须把它的直流电流调到很大（相当于把水龙头设置在水流很大的状态）。这样一来，CMOS电路就需要很大的功耗才能处理毫米波信号。四．5G毫米波相控阵（1）相控阵介绍如图，相控阵是由衰减器、移相器、放大器、低噪放组成。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AmolKalburge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。”（2）典型产品awmf-0108是一个高度集成硅四核5gIC用于相控阵的应用程序。设备支持四个Tx/Rx辐射元素,包括所有必要的光束控制控制5阶段和增益控制,并以半双工方式运作,使单个天线同时支持Tx和Rx操作。设备提供24分贝增益和+9dBm输出功率传输模式和31dB的增益,5.0dBNF--28dBmIIP3在接收模式。附加功能包括增益补偿温度,温度报告、发射功率遥测,快速波束切换使用八片上束重量存储寄存器。设备功能ESD保护所有别针,+1.8V电源操作,打包在48领先6x6毫米QFN平面相控阵天线安装方便。aws-0101是一个高度集成硅四核5gIC用于雷达和相控阵的应用程序。设备支持四个辐射元素,单波束传输,双光束接收和包括所有必要的光束控制控制6阶段和增益控制。设备提供了21个分贝增益在传输模式,在传输+15dBm的输出功率,在收到3.4dBNF。附加功能包括增益补偿温度,温度报告和快速波束切换使用八片上梁重量存储寄存器。设备特性ESD保护所有的针,从+1.8v供应运作,打包在56领先7x7QFN平面相控阵天线安装方便。aws-0102是一个高