等待5G技术

一段时间以来，运营商、设备oem和芯片制造商一直在为下一代无线标准“第五代移动网络”(5G)做准备。

5G是目前被称为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，是LTE的100倍。但最大的问题是，5G是会颠覆市场格局，还是达不到它的承诺。

无论如何，5G市场正在升温。诺基亚、博通、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。

但部署5G无线网络面临诸多挑战。例如，虽然oem和芯片制造商正在开发5G产品，但标准仍未确定。

今天的LTE网络在700兆赫到3.5 GHz之间运行。相比之下，5G不仅将与LTE共存，而且还将在无牌或毫米波频段上运行。这涉及到30 GHz和300 GHz之间的频段，这反过来又支持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)运行。随着时间的推移，5G可能涉及其他频谱，如60 GHz、71 GHz到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、基带和射频设备。事实上，5G将需要一种新型射频芯片，包括一种称为相控阵天线的毫米波技术。已经用于航空航天/国防应用的毫米波设备正在进入汽车雷达、60 ghz WiFi，最终进入5G。

将毫米波技术从航空航天/国防领域引入商业市场并非易事。“毫米波技术带来了一些挑战，”英特尔射频营销总监彼得·拉贝尼(Peter Rabbeni)说GlobalFoundries．“设计、这些设计的操作以及毫米波测试都具有挑战性。这主要是因为与这些频带相关的频率。”

设计这些芯片很困难，但测试它们更具挑战性。“作为一个行业，我们已经进行了很长时间的毫米波测量，但这主要是在航空航天/国防应用中，”销售和营销执行副总裁Eric Starkloff说国家仪器(倪)。“这是在非常高的成本点上完成的。为了使其可行，我们必须大幅降低毫米波的测试成本。”

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，韩国电信还计划与三星电子一起，在2018年韩国冬奥会期间提供5G服务。

但5G的大规模部署预计要到2020年及以后才能实现。Forward Concepts总裁威尔·施特劳斯(Will Strauss)表示:“我非常怀疑5G能否在2020年之前成为一种普遍可用的移动服务。”“当然，到2018年将会有更快速度的蜂窝操作的网络试验，但到那时消费者能够购买5G手机的可能性很小。”

尽管如此，该行业仍需要密切关注5G。为了帮助供应商走在前面，《半导体工程》研究了5g的以下部分:技术现状;5G手机和基站的芯片及相关流程;并进行了测试和包装流程。

什么是5G?
那么5G到底是什么，我们为什么需要它?如今，许多运营商已经部署了一种名为LTE Advanced (Release 10)的4G无线标准。在这一框架下，运营商已经部署了4类和6类LTE-A移动网络，这两种网络的数据下行速度分别高达150Mbps和300Mbps。

随着时间的推移，运营商将推出LTE Advanced Pro (Release 13)，这被认为是4.5G技术。LTE Advanced Pro是迈向5G的垫脚石。根据NI的说法，它将包括多达32个组件运营商(从第10版的5个)，大规模MIMO和未经许可频谱的LTE。许多相同的元素都是5G的一部分，但5G将通过在毫米波频谱中运行而更进一步。对于LTE Advanced Pro，运营商将部署10类，支持450Mbps的数据速度。有些人甚至在谈论第16类，它提供1Gbps。

就目前而言，LTE-A可能已经足够好了。问题在于，根据爱立信的数据，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，到2021年，每部智能手机的数据流量预计将达到每月8.9 gb，而2015年为每月1.4 gb。

出于这个原因和其他原因，世界可能需要5G。每家运营商可能会有一套不同的5G服务，但基本上，这项技术由三个独立的元素组成:增强型移动宽带;的物联网(物联网);以及机器通信。

增强型移动宽带涉及毫米波技术，将使数据传输速率超过10Gbps。与4G相比，5G预计将提供1000倍的容量和十分之一的延迟。

物联网是5G的第二个要素，涉及基于wifi的技术。为此，业界已经认可了一种称为窄带物联网(NB-IOT)的窄带无线标准。

同时，5G的机器类型通信部分涉及一个单独的机器对机器协议。为此，业界认可了M2M无线标准LTE-M。

NI首席营销经理戴维•霍尔(David Hall)表示:“5G的一些要求是更低的功耗和更长的电池寿命。“(NB-IOT和LTE-M)都是移动通信网络的改进。它们是为机器对机器设计的。因此，收音机更简单了。”

这个问题?其他WiFi无线技术也可能会发现自己在5G的保护伞下移动，给市场带来更多的复杂性、不确定性和混乱。例如，5G可能包括一种名为WiGig的60 GHz WiFi技术。其他无线技术也在不断涌现，比如LoRa和Sigfox。

但是，要制造出一种能够支持每个国家所有这些标准的射频无线电芯片，即使不是不可能，也是不太可能的。“你能同时满足所有这些要求吗?”Analog Devices通信基础设施部门的首席技术官托马斯·卡梅伦(Thomas Cameron)说。

因此，随着时间的推移，运营商将支持部分(但不是全部)5G拟议标准。卡梅伦说:“(运营商)的目标是建立一个灵活的网络，可以分割并直接面向垂直市场。”

还有其他问题。随着5G毫米波频率的上升，小区半径会缩小。传输损耗是由于吸收和其他因素造成的。在5G中，小区半径可能在200米左右。为了处理该半径内的流量，5G将需要一种称为大规模MIMO的系统，该系统使用多个天线将容量倍增。这只是一个复杂网络的冰山一角。

5G手机内部
今天的4G智能手机包括一个应用处理器和调制解调器，它们代表了系统的数字方面。4G手机也有射频前端，包括功率放大器或收音机和开关。放大手机中射频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。但与4G系统不同的是，5G手机还将集成相控阵天线。相控阵装置由一组具有独立辐射元件的天线组成。基本上，相控阵天线可以利用波束形成技术在多个方向上操纵波束。

基于5g的智能手机可能需要多达16个元素。Strategy Analytics分析师克里斯·泰勒(Chris Taylor)表示:“天线元件可以有独立的放大器和移相器，并连接到一个覆盖整个宽带的收发器。”“理想情况下，你可以把天线放在收发器的顶部或作为收发器的一部分。所以，你有一个有多个发射器的收发器，基本上是小的pa。所有进出天线的信号的修改都是在模拟域完成的。”

使用毫米波器件设计系统具有挑战性。“许多客户不仅对架构有不同的看法，而且对可以使用什么技术来解决这个问题也有不同的看法，”GlobalFoundries的Rabbeni说。“这在很大程度上取决于你打算整合多少，以及你打算在哪里划分系统。

“此外，毫米波电路对布局非常敏感，”Rabbeni说。“为了最大限度地减少损失，东西必须紧密地压在一起。与在这些频率下工作的电路接口可能具有挑战性。”

一般来说，相控阵设备是使用不同的工艺，但许多今天的设备是基于标准互补金属氧化物半导体和硅锗(SiGe)。“SiGe技术已经在毫米波相控阵/有源天线应用中得到了证明，”Amol Kalburge，战略营销高级总监说TowerJazz，专业铸造厂供应商。

“此外，SiGe可以与先进的CMOS和片上无源器件集成，从而提供高效的片上系统集成能力和成本/性能权衡，”Kalburge说。“我们相信SiGe将在5G前端ic中发挥关键作用，并将与其他III-V技术共存。

“虽然SOI交换机将继续在< 6ghz频率上发挥关键作用，但它们在毫米波频率上的作用和挑战并不那么明确。波束成形天线支持不同的Rx和Tx路径，这两个路径可能完全隔离，从而消除了毫米波天线开关的需要。如果需要毫米波频率的开关，当前基于SOI的开关可能具有过高的插入损耗，并且将无法使用。这一限制将为基于MEMS或其他新技术的开关创造机会。”

同时，SiGe在200mm晶圆厂中使用标准的CMOS制造流程。此外，晶圆代工厂不断提高SiGe。例如，GlobalFoundries最近推出了一种新的130纳米版本的SiGe工艺。它的fMAX高达340 GHz，比之前的工艺提高了25%。此外，TowerJazz最近宣布了其新的130纳米版本的SiGe工艺。

与4G手机一样，5G移动系统也需要一个功率放大器。三星美国研究院的研究工程师杰弗里·柯蒂斯(Jeffery Curtis)说:“对于毫米波无线电来说，功率放大器将成为功耗的主要因素。”“已经有一些产品可用，但对这些前端的要求与我们在移动通信系统中需要的毫米波有很大不同。”

5克,三星开发了一种集成了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表示:“通过实施PA和LNA的特定应用设计，我们可以将功耗降低65%以上。”“这些组件的集成是在手机中实现它们的关键一步。”

除GaAs外，业界还在关注其他III-V技术以及功率放大器的SiGe。Strategy Analytics分析师Eric Higham表示:“与其他一些用于放大器的MMIC技术相比，GaAs的性能使其在效率、线性度和频率范围方面成为更好的选择。”“与硅基工艺相比，GaAs的缺点在于设备成本和相对有限的集成能力。”

Higham表示，一般来说，GaAs晶圆厂目前使用4英寸晶圆制造器件，尽管许多晶圆厂正在转向6英寸晶圆，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- 0.5微米范围内。他说:“为了达到毫米波频率，大多数设备制造商使用栅极长度在0.1到0.15微米范围内的工艺。”Qorvo已经发布了90nm工艺，但这是目前生产GaAs的下限。”

基础设施
基本上，带有相控阵天线的手持设备将向现场的众多基站和/或微型基站发送信号。基站和微型蜂窝也将采用相控阵天线。

为此，毫米波面临几个挑战。例如，天气条件会影响信号路径。“当你使用毫米波频率时，由于氧气和吸收，你会有更多的路径损耗，”Anokiwave的首席执行官罗伯特·多纳休(Robert Donahue)说。“所以你可以通过建造一个具有波束形成能力的无线电来抵消这一点。

Anokiwave最近推出了所谓的5G四核IC，这是一款28 GHz相控阵设备。基于SiGe，该设备可以集成到一个微型电池或其他系统中，它位于房屋或电线杆上。

理论上，这种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MIMO技术。基站一般采用基于横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)技术的射频功率晶体管。但即使在今天，LDMOS也逐渐被射频氮化镓(GaN)技术所取代。

GaAs/GaN代工供应商Win Semiconductors高级副总裁David Danzilio表示:“与LTE-A一样，5G基础设施将转向更高的频段，以利用更大的可用带宽。”“随着LTE向更高频段移动，GaN技术已经开始占据相当大的份额。”

今天，大多数氮化镓是在3英寸和4英寸晶圆上生产的。据Strategy Analytics称，Qorvo将在年底前将其GaN生产过渡到6英寸晶圆。氮化镓正从0.25到0.5微米的几何尺寸迁移到0.15微米，有些甚至低至60纳米。

“氮化镓是一种众所周知的宽带隙材料，”Strategy Analytics的Higham说。“这意味着它可以承受更高的电场。这意味着更高的功率密度能够承受更高的工作温度。因此，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特征。”

在未来，GaN甚至可能被用作5G手机的功放。Qorvo无线基础设施产品部总经理Sumit Tomar表示:“GaN也将被添加，特别是在更高的频率上。

今天，GaN被用于军事应用中的手持系统。但GaN进入智能手机还需要一段时间。为此，业界必须在GaN的低功耗工艺方面取得一些突破。

测试的挑战
与此同时，测试和测量步骤可以说是5G制造流程中最困难的部分。与今天的射频芯片相比，毫米波的这些步骤是不同的。

“今天，几乎所有的RFIC都是通过从测试设备到RFIC的电缆进行测试的，”NI的Hall说。“布线，被称为传导测量，通常是首选，因为你不必处理路径损耗等不确定性。”

但对于蓝牙和其他一些射频芯片，工程师们还通过天线进行辐射测量。同时，对于生产测试，业界使用各种自动测试设备(ATE)和仪器来测试当今的射频芯片。

然而，对于毫米波设备来说，情况就不同了。例如，相控阵天线可以接合在射频前端设备上。是德科技(Keysight)的5G技术架构师迈克·米尔哈姆(Mike Millhaem)说:“套餐实际上将包括天线。”“所以半导体上不会有射频连接器和终端。”

因此，简单来说，传统的基于电缆的毫米波测试方法将不起作用。那么，如何测试和测量毫米波设备呢?

每个供应商都有不同的解决方案，但它可能涉及到在机架上使用几个昂贵的仪器来完成这项工作。

“目前，毫米波的部分挑战是在这些频率下许多信号的更宽带宽，”NI的霍尔说。“有毫米波设备的生产测试方法，但没有调制测量。例如，如今工程师可以购买到高达100 ghz及以上的毫米波矢量网络分析仪(vna)，但这些分析仪仅适用于s参数测量。”

vna可以测试毫米波组件，如滤波器、耦合器和一些功率放大器。霍尔说:“然而，vna没有能力测试调制质量，这对于RFIC和设计用于处理通信信号的无线电来说是很重要的。”

然而，测试28 GHz的部件是可能的。他说:“当28 GHZ的5G问世时，规格需要500 MHz的带宽，这是非常可行的。”

但是在测试60 GHz的部件方面存在差距。他说:“有几家供应商正在开发802.11ad测试解决方案，但我认为目前市场上还没有任何针对WiGig测试的正式解决方案。”“在没有这样的解决方案的情况下，工程师们依靠‘黄金DUT’方法。我们检查WiGig RFIC是否可以适当地连接到已知良好的无线电。这种方法很不可靠。这也是我们今天在市场上看到这么多WiGig产品质量问题的部分原因。”

包装
今天的军用毫米波设备使用陶瓷或金属封装。一般来说，这些软件包是可靠的，但它们可能很昂贵。

因此，一些厂商开始转向QFN封装和多芯片模块。还有一些人正在研究毫米波的高级封装。“人们也在尝试扇形和嵌入式，”先进半导体工程公司(ASE)企业研发副总裁哈里森·张(Harrison Chang)说。

事实上，在毫米波封装中，封装工程师必须考虑几种选择和设计考虑。Chang说:“射频前端要复杂得多。“我们需要确保这些结构，如连接线、焊盘或通孔，与芯片的射频设计配合而不是相违背。”

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