畅想5G时代的到来

yumeii · 发表于 2019-11-13 09:53:59

一段时间以来，运营商，设备OEM和芯片制造商一直在为称为第5代移动网络或5G的下一代无线标准做准备。

5G是目前称为4G或长期演进（LTE）的无线标准的后续产品。它将使数据传输速率超过10Gbps，或LTE吞吐量的100倍。但是最大的问题是5G是否会破坏格局或无法实现其承诺。

无论如何，5G市场正在升温。Anokiwave，Broadcom，英特尔，Qorvo，高通，三星以及越来越多的其他公司正在开发5G芯片。

但是，部署5G无线网络面临许多挑战。例如，尽管OEM和芯片制造商正在开发5G产品，但仍未设定标准。

当今的LTE网络的工作频率为700 MHz至3.5 GHz。相比之下，5G不仅可以与LTE共存，而且还可以在非许可频段或毫米波频段中运行。这涉及30 GHz至300 GHz之间的频谱带，从而启用了更多的无线数据功能。

最初，5G可能会在28 GHz（美国）和39 GHz（欧洲）下运行。随着时间的推移，5G可能涉及其他频谱，例如60 GHz，71 GHz至86 GHz甚至300 GHz。

为此，移动系统和基站将需要新的更快的应用处理器，基带和RF设备。实际上，5G将需要新型的RF芯片，包括称为相控阵天线的mmWave技术。mmWave设备已经在航空航天/国防应用中使用，正在进入汽车雷达，60 GHz WiFi并最终进入5G。

将mmWave技术从航空航天/国防领域带入商业市场并非易事。GlobalFoundries的RF营销主管Peter Rabbeni说：“毫米波技术提出了一些挑战。” “这些设计，这些设计的操作以及在毫米波下的测试都可能具有挑战性。这主要是由于与这些频段相关的频率。”

设计这些芯片很困难，但是测试它们却更具挑战性。National Instruments（NI）销售和市场执行副总裁Eric Starkloff表示：“作为一个行业，我们已经进行了很长时间的mmWave测量，但这主要是在航空航天/国防领域。“而且这样做的成本很高。为了使其可行，我们将不得不大幅降低mmWave的测试成本。”

尽管5G面临挑战，但Verizon希望在2017年左右在美国推出一些5G服务。此外，韩国电信和三星计划在2018年韩国冬季奥运会期间提供5G服务。

但是，预计5G的大规模部署要到2020年及以后才会发生。Forward Concepts总裁Will Strauss表示：“我甚至对2020年5G作为普遍可用的蜂窝服务持怀疑态度。” “当然，到2018年将进行网络测试以提高蜂窝速度，但到那时消费者能够购买5G蜂窝手机的可能性很小。”

尽管如此，业界仍需要密切关注5G。为了帮助供应商领先，Semiconductor Engineering考察了5G的以下部分-技术的现状；5G手机和基站的芯片和相关流程；以及测试和包装流程。

什么是5G？
那么5G到底是什么，为什么我们需要它？如今，许多运营商已部署了称为LTE Advanced（第10版）的4G无线标准。在该框架内，运营商已经部署了4类和6类LTE-A移动网络，它们分别使数据下行链路速度分别高达150Mbps和300Mbps。

随着时间的流逝，运营商将推出LTE Advanced Pro（第13版），该技术被认为是4.5G技术。LTE Advanced Pro是迈向5G的垫脚石。据NI称，它将由多达32个分量载波（第10版中的5个），大规模MIMO和无执照频谱中的LTE组成。这些相同的元素中有许多是5G的一部分，但5G将通过在mmWave频谱中运行而进一步向前发展。对于LTE Advanced Pro，运营商将部署类别10，该类别支持450Mbps的数据速度。一些人甚至在谈论类别16，该类别提供1 Gbps。

LTE-A可能已经足够了。问题是，爱立信表示，从2015年到2021年，移动数据流量预计将以每年45％的速度增长。根据爱立信的数据，预计到2021年，每个智能手机的数据流量将达到每月8.9 GB，而2015年为每月1.4 GB。

因此，世界可能需要5G。每个运营商可能会提供不同的5G服务集，但是从根本上说，该技术由三个独立的要素组成：增强型移动宽带；在物联网（IOT）; 和机器类型的通讯。

增强型移动宽带涉及mmWave技术，它将使数据传输速率超过10Gbps。与4G相比，5G有望提供1000倍的容量和十分之一的延迟。

物联网是5G的第二要素，涉及基于WiFi的技术。为此，业界已经认可了一种称为NarrowBand IOT（NB-IOT）的窄带无线标准。

同时，5G的机器类型通信部分涉及单独的机器对机器协议。为此，业界已经认可了称为LTE-M的M2M无线标准。

NI首席市场经理David Hall表示：“对5G的某些要求是为了降低功耗和延长电池寿命。“两者（NB-IOT和LTE-M）都是对移动通信网络的修改。它们是为机器对机器而设计的。结果，收音机更简单了。”

问题？其他WiFi无线技术也可能会发现自己在5G保护伞下移动，从而在市场上造成更多的复杂性，不确定性和混乱。例如，5G可能包括称为WiGig的60 GHz WiFi技术。其他无线技术也正在涌现，例如LoRa和Sigfox。

但是，即使不是不可能，也不可能制造出可以在每个国家支持所有这些标准的RF无线电芯片。“您可以尝试同时满足所有这些要求吗？不会。” ADI公司通信基础架构部门首席技术官Thomas Cameron说。

因此，随着时间的推移，运营商将支持部分但并非全部的5G建议标准。卡梅伦说：“（在运营商中）目标是建立一个可以切分并定向到垂直市场的灵活网络。”

还有其他问题。随着毫米波频率在5G中上升，小区半径会减小。传输损耗是由于吸收和其他因素造成的。在5G中，小区半径可能约为200米。为了处理该半径内的流量，5G将需要一个称为大规模MIMO的系统，该系统使用多个天线将容量提高一倍。这只是预期的复杂网络中的冰山一角。

5G手机内部
当今的4G智能手机包括应用处理器和调制解调器，它们代表系统的数字端。4G手机还具有RF前端，其中包括功率放大器或收音机和开关。用于放大电话中RF信号的功率放大器通常基于砷化镓（GaAs）异质结双极晶体管（HBT）技术。

5G智能手机还将配备应用处理器和调制解调器。但是与4G系统不同，5G手机还将集成相控阵天线。相控阵设备由带有独立辐射元件的天线阵列组成。基本上，相控阵天线可以使用波束形成技术在多个方向上控制波束。

基于5G的智能手机可能需要多达16个元素。Strategy Analytics分析师Chris Taylor说：“天线元件可以具有独立的PA和移相器，并连接到覆盖整个宽带的单个收发器。” “理想情况下，您将天线放在收发器的顶部或一部分。因此，您有一个带有多个发射器的收发器，这些发射器基本上是小型PA。对进出天线的信号的所有修改都是在模拟域完成的。”

使用mmWave设备设计系统具有挑战性。GlobalFoundries的Rabbeni表示：“许多客户不仅对架构以及使用什么技术可以解决这一问题有不同的看法。” “这很大程度上取决于要集成多少以及要在哪里分区系统。

“此外，毫米波电路对布局非常敏感，”拉贝尼说。“必须将所有东西紧密地压缩在一起，以最大程度地减少损失。与以这些频率工作的电路的接口可能具有挑战性。”

通常，相控阵器件是使用各种工艺制造的，但是当今的许多器件都是基于标准CMOS和硅锗（SiGe）的。特种铸造厂商TowerJazz战略营销高级总监Amol Kalburge表示：“ SiGe技术已经在毫米波相控阵/有源天线应用中得到了验证。

Kalburge说：“此外，SiGe还可以与先进的CMOS和片上无源器件集成，从而提供了面积有效的片上系统集成能力和成本/性能折衷。” “我们相信SiGe将在5G前端IC中发挥关键的推动作用，并将与其他III-V技术共存。

“尽管SOI开关将在<6 GHz频率上继续发挥关键作用，但在毫米波频率下它们的作用和挑战尚不十分清楚。使用支持不同Rx和Tx路径的波束成形天线，两条路径可能会完全隔离，从而无需在mmWave上安装天线开关。如果毫米波频率需要一个开关，那么当前基于SOI的开关将可能具有太高的插入损耗，并且将变得无法使用。这种限制将为基于MEMS或其他新颖技术的开关创造机会。”

同时，SiGe利用200mm晶圆厂中的标准CMOS制造流程。另外，铸造厂继续改进SiGe。例如，GlobalFoundries最近推出了其SiGe工艺的新130nm版本。它具有高达340 GHz的fMAX，比以前的过程提高了25％。此外，TowerJazz最近宣布了其SiGe工艺的新130nm版本。

像4G手机一样，5G移动系统将需要功率放大器。“对于毫米波无线电，功率放大器将是功耗的主要因素，”三星研究美国公司的研究工程师杰弗里·柯蒂斯（Jeffery Curtis）说。“已经有一些产品可用，但是这些前端的要求与我们在mmWave中对移动通信系统的要求有很大不同。”

对于5G，三星已经开发了带有集成低噪声放大器和开关的28 GHz功率放大器。该器件基于0.15微米GaAs工艺。Curtis说：“通过实施PA和LNA的专用设计，我们可以将功耗降低65％以上。” “这些组件的集成是在手机尺寸中实现它们的关键一步。”

除砷化镓外，业界还在寻找其他III-V技术以及功率放大器的SiGe。“与其他一些用于PA的MMIC技术相比，性能能力使GaAs成为效率，线性和频率范围的更好选择，” Strategy Analytics分析师Eric Higham说。“与基于硅的工艺相比，GaAs的缺点与设备成本和相对有限的集成能力有关。”

Higham说，一般来说，GaAs代工厂如今正在使用4英寸晶圆制造器件，尽管许多制造商正在向6英寸晶圆迁移以降低成本。

在较低的频率范围内，GaAs HBT的栅极长度通常在0.25到0.5微米的范围内。他说：“为了达到毫米波频率，大多数设备制造商都使用栅极长度在0.1至0.15微米范围内的工艺。” “ Qorvo已经发布了一种90nm工艺，但这大约是当前的GaAs生产下限。”

基础设施
基本上，具有相控阵天线的手持设备会将信号发送到现场的多个基站和/或微型小区。基站和微小区也将包含相控阵天线。

为此，mmWave面临一些挑战。例如，天气情况会影响信号路径。“进入毫米波频率时，由于氧气和吸收而导致的路径损耗增加，” Anokiwave首席执行官罗伯特·多纳休（Robert Donahue）说。“因此，您可以通过构建具有波束成形功能的无线电来抵消这一干扰。

Anokiwave最近推出了所谓的5G四核IC，这是一种28 GHz的相控阵器件。基于SiGe，此设备可以并入位于房屋或电线杆上的微型电池或其他系统中。

从理论上讲，这种类型的芯片可以与基站通信。与4G系统不同，4.5G和5G基站需要大规模的MIMO技术。通常，基站使用基于横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）技术的RF功率晶体管。但是直到今天，LDMOS仍逐渐被RF氮化镓（GaN）技术取代。

GaAs / GaN代工厂商Win Semiconductors的高级副总裁David Danzilio表示：“与LTE-A一样，5G基础架构将移至更高的频段，以利用更大的可用带宽。” “随着LTE向更高频段发展，GaN技术已开始占据重要份额。”

如今，大多数GaN是在3英寸和4英寸晶圆上生产的。根据Strategy Analytics的数据，Qorvo正在将其GaN的生产在年底前过渡到6英寸晶圆。GaN正在从0.25微米到0.5微米的几何形状迁移到0.15微米，有些甚至低至60nm。

“ GaN是一种宽带隙材料，” Strategy Analytics的Higham说。“这意味着它可以承受更高的电场。这意味着能够承受更高工作温度的更高功率密度。结果，GaN器件可以比GaAs和InP等其他高频技术处理更多的功率，并且具有比LDMOS和SiC等其他功率技术更好的频率性能。”

将来，GaN甚至可以用作5G手机的功率放大器。Qorvo无线基础设施产品部总经理Sumit Tomar说：“还将添加GaN，尤其是在更高的频率下。”

今天，GaN被用于军事应用中的手持系统。但是GaN要进入智能手机尚需时日。为此，行业必须在GaN低功耗工艺方面取得一些突破。

测试挑战
同时，测试和测量步骤无疑是5G制造流程中最困难的部分。与当今的RF芯片相比，mmWave的这些步骤有所不同。

NI的霍尔说：“今天，几乎所有的RFIC都通过从测试设备到RFIC的电缆进行测试。” “通常首选电缆，即传导测量，因为您不必处理路径损耗等不确定性。”

但是对于蓝牙和其他一些RF芯片，工程师还可以通过天线执行辐射测量。同时，在生产测试中，业界对当今的RF芯片使用各种自动测试设备（ATE）和仪器。

但是，mmWave设备的情况则不同。例如，相控阵天线可能会粘结在RF前端设备上。是德科技的5G技术架构师Mike Millhaem说：“包装实际上将包括天线。” “因此，半导体上将没有RF连接器和端子。”

因此，简单来说，mmWave的基于电缆的传统测试方法将行不通。那么，您如何测试和测量mmWave设备？

每个供应商都有不同的解决方案，但是可能需要在机架中使用几种昂贵的仪器来完成这项工作。

NI的霍尔说：“目前，毫米波面临的挑战之一是在这些频率下许多信号的带宽更大。” “有毫米波设备的生产测试方法，但没有调制测量。例如，今天，工程师可以购买高达100 GHz或更高频率的mmWave矢量网络分析仪（VNA），但这仅适用于S参数测量。”

VNA可以测试mmWave组件，例如滤波器，耦合器和某些功率放大器。霍尔说：“但是，VNA没有测试调制质量的能力，这对设计用于处理通信信号的RFIC和无线电很重要。”

但是，可以测试28 GHz部件。他说：“当28 GHZ 5G出现时，规格要求500 MHz的带宽，这是相当可行的。”

但是测试60 GHz部件仍有差距。他说：“数家供应商正在开发802.11ad测试解决方案，但我认为目前市场上没有针对WiGig测试发布的解决方案。” “在没有这种解决方案的情况下，工程师们依赖'黄金DUT'方法。我们检查发现WiGig RFIC可以正确连接到已知良好的无线电。此方法非常不可靠。这也是我们今天在市场上看到如此多WiGig产品质量问题的原因的一部分。”

包装
当今基于军事的毫米波设备使用陶瓷或金属包装进行包装。通常，这些包装是可靠的，但是它们可能很昂贵。

结果，一些器件正在向QFN封装和多芯片模块迁移。还有一些人正在寻找mmWave的高级软件包。“人们也在尝试扇出和嵌入，” Advanced Semiconductor Engineering（ASE）公司研发副总裁Harrison Chang说。

确实，包装工程师必须在mmWave包装中考虑几个选项和设计注意事项。Chang说：“ RF前端要复杂得多。” “我们需要确保诸如连接线，焊盘或过孔之类的结构能够与裸片的RF设计配合使用，而不会违反裸片的RF设计。”

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