受益于先进的半导体技术——5G毫米波系统已经到来

Enabled by Advanced Semiconductor Technologies - 5G mmWave Systems Have Arrived

Patrick Hindle，《Microwave Journal》总编

大约在一两年前，业界认为，首批5G应用将是6GHz以下的大规模多入多出（MIMO）天线、高阶载波聚合、异构网络等技术，以实现更好的数据速率、延迟和容量性能。但是，新的半导体工艺和架构已经迅速发展到能以合理的成本提供5G毫米波技术。固定无线接入将成为在5G移动通信系统之前部署的第一种5G业务。在美国，Verizon和AT&T已经在几个城市进行了现场试验，三星/Arqiva最近宣布在英国进行了首次试验。这些是怎么实现的呢？

首先，能够在毫米波频率下实现优异性能的低成本硅半导体工艺已经发布了。Global Foundries今年早些时候发布的45nm射频绝缘体上硅（SOI）工艺就是一个例子，它们是第一家宣布采用先进的300mm射频芯片解决方案来支持毫米波波束赋形应用的代工厂。该技术针对波束赋形前端模块进行了优化，其产线后端特性包括可以提高低噪声放大器（LNA）、开关和功率放大器（f_t为305GHz，f_max为380GHz）的射频性能的厚铜和电介质。另一个例子是，赛灵思使用16nm FinFET技术将数据转换器和射频组件集成在与FPGA相同的芯片上，形成完整的射频片上系统（SoC）。

其次，有几家半导体器件公司一直在开发使用标准和先进硅技术的高度集成的毫米波SoC解决方案的新架构。尽管过去几年行业活动中的许多演示使用SiBeam的60GHz阵列或UCSD的28GHz原型阵列，但今年，我们开始看到低成本、生产就绪的阵列，如Anokiwave/Ball Aerospace、英特尔、三星、ADI、Movandi的阵列。

今年早些时候，Anokiwave/Ball Aerospace宣布推出用于5G和卫星通信的28GHz相控阵列，Anokiwave最近又发布了39GHz芯片，该芯片是高度集成的SoC相控阵列，具有诸如温度补偿、内置自检和软件控制等先进功能。同样，Movandi刚刚宣布推出BeamX技术，这是一种用于28GHz和39GHz应用的可扩展的射频前端系统解决方案。Movandi的BeamX前端将射频、天线、波束赋形和控制算法集成到针对CPE、小蜂窝和基站应用的5G毫米波模块中。它们采用标准体硅(bulk Si)技术，因此成本低廉、容易大批量生产，加上高效率的天线技术，可以实现高性能。

赛灵思通过将射频类模拟技术集成到其16nm FinFET技术中创建了第一个硬件和软件可编程射频SoC，就此进入了5G无线领域。基于与FPGA可编程逻辑结合的ARM类处理子系统，所有可编程SoC具有12位、4GSPS射频采样模数转换器和14位6.4GSPS直接射频数模转换器，并且内置数字下变频和上变频功能。射频SoC可以使LTE-A Pro和5G有源天线系统以及大规模MIMO无线电系统的系统功耗和占地面积减少50%至75%，因此适合功耗要求苛刻的高功率系统。

在6月举办的IMS上，亚德诺（ADI）公司展示了一个完整的26到44GHz解决方案，它将CMOS和SiGe结合在一起，用于高度集成的无线电产品，并已与这一领域的多家公司合作。也是在IMS中，OMMIC讨论了为28GHz相控阵列开发前端MMIC的工作。该IC集成功率放大器、低噪声放大器和开关，其功率放大器输出功率为37.5dBm，功率附加效率为35%，小信号增益为22dB。OMMIC正在使用GaAs开发为阵列提供幅度和相位控制的核心芯片，并认为纯粹基于CMOS的阵列将不能提供所需的EIRP。

Qorvo有与OMMIC相同的观点，并宣布了为39GHz相控阵列设计的氮化镓前端模块。前端模块涵盖37至40.5GHz，并包含两个信道，每个信道包含多功能氮化镓MMIC，其中包含三级功率放大器、三级低噪声放大器和一个单刀双掷收/发开关，采用Qorvo的0.15微米碳化硅基氮化镓工艺制造。功率放大器提供23dBm的平均输出功率。但是硅基半导体制造商通常会发现该阵列是受散热限制的并且可以实现所需的EIRP（约65dB）。这似乎是一个有争议的问题，一旦确定了关键指标并有了测量结果，我们就应该能得出结论了。这两种方法似乎都有效，就看性能和成本问题了。

我们还不了解英特尔、三星、华为和其它公司此类项目的进展情况，因此，明年它们将会在行业内如何发挥作用很值得关注。我预计毫米波系统将在最初的5G部署中发挥主要作用。市场研究公司EJL Wireless Research似乎同意这一观点并预测：到2021年，28GHz的5G和固定无线接入收发器将超过2000万台。3G和4G系统是将模块和组件组合在一起构建系统的，但是，我认为5G将由于射频的复杂性和对射频性能的苛刻要求而有所不同。我认为提供完整阵列或子系统的优化解决方案的公司将是赢家。