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運營商、設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準（即 5G）的制定。5G 是現(xiàn)在 4G（也稱為長期演進項目，Long term evolution，即 LTE）移動通信標準的下一代，5G 數(shù)據(jù)傳輸速率可超過 10Gbps，是現(xiàn)在 LTE 標準的 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)絡部署還面臨諸多挑戰(zhàn)，舉個例子，雖然設備商和芯片廠商已經(jīng)在開發(fā) 5G 產(chǎn)品，但 5G 標準還沒有確定。
現(xiàn)在的 LTE 網(wǎng)絡工作頻率從 700MHz 橫跨至 3.5GHz，5G 網(wǎng)絡則不僅要兼容 LTE 網(wǎng)絡，還須支持公用免費（unlicensed，設備廠商不需要購買許可費用）或毫米波頻段（注：目前毫米波波段基本免費，但免費波段不等于毫米波波段）。嚴格意義的毫米波頻率為 30GHz 至 300GHz，對應波長分別為 10mm 到 1mm，毫米波通信將極大提高無線數(shù)據(jù)傳輸的速率。
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用處理器、基帶以及射頻器件。事實上，5G 標準對射頻影響較大，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)最早應用在航空軍工領(lǐng)域，如今汽車雷達、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。“毫米波技術(shù)還面臨一些挑戰(zhàn)，”GlobalFoundries 射頻市場總監(jiān) Peter Rabbeni 說道，“設計與設計實現(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。”
設計毫米波芯片很難，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。”NI 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。”
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，韓國電信與三星則計劃 2018 年冬奧會期間提供 5G 服務，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，”Forward Concepts 總裁 Will Strauss 說，“當然，2018 年會有 5G 試運行網(wǎng)絡提供高速移動通信服務，不過那時候能夠買得起 5G 手機的人非常少。”
雖然離 5G 真正實現(xiàn)尚有很長時間，但業(yè)界需要認真審視 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)運營商部署的 4G 移動通信標準被成為 LTE 升級版（LTE Advanced ，為 LTE 標準的第 10 版，簡稱 LTE-A）。根據(jù) 4G 技術(shù)規(guī)范，運營商部署了第四級（Cat 4）與第六級（Cat 6）LTE-A 移動通信網(wǎng)絡，第四級 LTE-A 下載速度可達 150Mbps，第六級 LTE-A 下載速度更高，可達 300Mbps。
再過一段時間，運營商將部署 LTE-A Pro（為 LTE 標準的第１３版），LTE-A 被認為是 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)將進一步把工作頻率拓展到毫米波頻段。對于 LTE-A Pro，運營商會部署第十級(Cat 10）移動網(wǎng)絡，支持 450Mbps 下載速度，部分運營商會部署下載速度達 1Gpbs 的第 16 級（Cat 16）移動網(wǎng)絡。
雖然現(xiàn)在 4G 網(wǎng)絡速度還不錯，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。不同運營商提供的 5G 服務可能互有區(qū)別，但大體上每家運營商選擇的 5G 技術(shù)都包括以下三項：增強型移動寬帶、物聯(lián)網(wǎng)和機器通信。
增強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)標準，成為窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NBIOT）。同時，5G 包含一種單獨的機器對機器通信協(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 都是為機器與機器通信而設計的，在現(xiàn)有移動通信協(xié)議上進行了修改，它們在射頻方面都比較簡單。”
那么引入這些標準的副作用在哪里？ 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雜、不確定甚至混亂。例如，5G 或許會把 60GHz 無線網(wǎng)絡技術(shù)（WiGig）包含進來，其他的無線標準也在不斷涌現(xiàn)，例如 LoRa 和 Sigfox。
但是不太可能（如果不是不可能）設計出一顆射頻芯片支持所有國家的所有無線通信標準。“你能同時滿足所有的需求嗎？不能！”ADI 公司通信基礎(chǔ)設施部門首席技術(shù)官 Thomas Camerson 斬釘截鐵地說。所以，將來運營商只會支持一部分 5G 標準。“（運營商的）目標是建成一個靈活的網(wǎng)絡，可以滿足細分的垂直市場需求。”Camerson 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)絡有多復雜。
透視 5G 手機
4G 手機里面的數(shù)字部分包括應用處理器和調(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 手機也要有應用處理器和調(diào)制解調(diào)器。不過與 4G 系統(tǒng)不同，5G 手機還需要相控陣天線。相控陣天線由一組可獨立發(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 智能手機中可能需要 16 跟天線。“每根天線都有獨立的 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。所有進出天線的信號都在模擬域處理。”
用毫米波器件設計一個系統(tǒng)非常有挑戰(zhàn)性。“很多客戶不但關(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)。”
“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。”
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)采用標準 CMOS 工藝和硅鍺（SiGe）工藝。“在毫米波相控陣 / 主動天線應用中，硅鍺工藝已經(jīng)得到了證明。”TowerJazz 高級戰(zhàn)略市場總監(jiān) Amol Kalburge 說。
"此外，硅鍺材料可以把先進 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，“我們認為硅鍺材料將在 5G 射頻前端 IC 發(fā)揮重大作用，當然也會用到其他三 - 五價材料。”
“在 6GHz 頻率以下的應用中，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)帶來機會。”Kalburge 說道。
硅鍺采用 8 英寸晶圓的標準 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 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 手機一樣，5G 手機也需要功率放大器。“毫米波應用中，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。”
三星已經(jīng)為 5G 應用開發(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)應用場景，對 PA 和 LNA 進行了特殊設計，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，是把其應用到手機的關(guān)鍵一步。”
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 工藝的缺點是成本比較高，不易集成。”
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。”
基礎(chǔ)設施
實際應用中，帶相控陣天線的手機將發(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)。”
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 IC 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)設施也會移到更高的頻率以拓寬數(shù)據(jù)帶寬，”穩(wěn)懋半導體高級副總裁 David Danzilio 說道，穩(wěn)懋半導體提供 GaAs 和 GaN 工藝代工服務。“隨著 LTE 邁向更高頻率，GaN 技術(shù)已經(jīng)開始擴大市場份額。”
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。”
將來，5G 手機中的 PA 甚至也可以用 GaN 來制造。“GaN 也會被采用，特別是在高頻率應用。”Qorvo 無線基礎(chǔ)設施與產(chǎn)品事業(yè)部總經(jīng)理 Sumit Tomar 說。
軍用手機中已經(jīng)開始使用 GaN 器件，但普通智能手機用上 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。
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備連起來，”NI 的 Hall 說，“采用線纜連接射頻芯片和測試設備是為了避免測試由于路徑損失等原因?qū)е碌牟淮_定性。”
不過藍牙等射頻芯片在測試時，也會進行輻射測量。量產(chǎn)測試時，芯片廠商則會采用相應的自動化測試設備（ATE）來進行測試。
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備上。”
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)。”
矢量信號分析儀適合測量濾波器、耦合器與功放。“然而，矢量信號分析儀無法測試調(diào)制質(zhì)量，但調(diào)制質(zhì)量是射頻芯片的重要參數(shù)。”Hall 說道。
不過 Hall 認為 28GHz 器件是可以測量的，“28GHz 5G 的標準要求 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。”Hall 說，“由于缺乏測試方法，工程師只能依靠‘標準被測器件’的方法，如果一顆 WiGig 射頻芯片能夠進行通信，我們認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封裝。“廠商也在扇出和嵌入式封裝方面進行嘗試。”日月光副總裁 Harrison 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計。”
