運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備廠商和芯片廠商正在齊心協(xié)力地推動(dòng)第五代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)（即5G）的制定。5G是現(xiàn)在4G（也稱為長(zhǎng)期演進(jìn)項(xiàng)目，Long term evolution，即LTE）移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的下一代，5G數(shù)據(jù)傳輸速率可超過10Gbps，是現(xiàn)在LTE標(biāo)準(zhǔn)的100倍。5G技術(shù)能否成為現(xiàn)實(shí)，現(xiàn)在還是一個(gè)疑問。

　　不過，5G市場(chǎng)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(luò)部署還面臨諸多挑戰(zhàn)，舉個(gè)例子，雖然設(shè)備商和芯片廠商已經(jīng)在開發(fā)5G產(chǎn)品，但5G標(biāo)準(zhǔn)還沒有確定。

　　現(xiàn)在的LTE網(wǎng)絡(luò)工作頻率從700MHz橫跨至3.5GHz，5G網(wǎng)絡(luò)則不僅要兼容LTE網(wǎng)絡(luò)，還須支持公用免費(fèi)（unlicensed，設(shè)備廠商不需要購(gòu)買許可費(fèi)用）或毫米波頻段（注：目前毫米波波段基本免費(fèi)，但免費(fèi)波段不等于毫米波波段）。嚴(yán)格意義的毫米波頻率為30GHz至300GHz，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)分別為10mm到1mm，毫米波通信將極大提高無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?/p>

　　早期的5G新工作頻率會(huì)是28GHz（美國(guó)）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?yàn)?0GHz信號(hào)傳播的大氣衰減比較嚴(yán)重）、71GHz至86GHz，甚至可能用到300GHz。

　　要支持毫米波通信，移動(dòng)系統(tǒng)和基站必須配備更新更快的應(yīng)用處理器、基帶以及射頻器件。事實(shí)上，5G標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(yīng)用在航空軍工領(lǐng)域，如今汽車?yán)走_(dá)、60GHz Wi-Fi都已經(jīng)采用，將來5G也必然會(huì)采用。

　　把毫米波技術(shù)從航天軍工領(lǐng)域引入到商用市場(chǎng)并不容易?！昂撩撞夹g(shù)還面臨一些挑戰(zhàn)，”GlobalFoundries射頻市場(chǎng)總監(jiān)Peter Rabbeni說道，“設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，以及毫米波產(chǎn)品測(cè)試都會(huì)遇到不少困難。這主要是因?yàn)楹撩撞l率太高了?！?/p>

　　設(shè)計(jì)毫米波芯片很難，但測(cè)試會(huì)更難?！霸跇I(yè)內(nèi)，我們很早就開始測(cè)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(chǎng)?！盢I銷售與市場(chǎng)執(zhí)行副總裁Eric Starkloff說道，“毫米波測(cè)試的成本很高，我們正在努力大幅度降低毫米波測(cè)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(jì)劃2017年的時(shí)候在美國(guó)提供部分5G服務(wù)，韓國(guó)電信與三星則計(jì)劃2018年冬奧會(huì)期間提供5G服務(wù)，但大規(guī)模5G部署不會(huì)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(dòng)服務(wù)，”Forward Concepts總裁Will Strauss說，“當(dāng)然，2018年會(huì)有5G試運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)提供高速移動(dòng)通信服務(wù)，不過那時(shí)候能夠買得起5G手機(jī)的人非常少?！?/p>

　　雖然離5G真正實(shí)現(xiàn)尚有很長(zhǎng)時(shí)間，但業(yè)界需要認(rèn)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(cè)試和封裝等角度來詳細(xì)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(yùn)營(yíng)商部署的4G移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)被成為L(zhǎng)TE升級(jí)版（LTE Advanced ，為L(zhǎng)TE標(biāo)準(zhǔn)的第10版，簡(jiǎn)稱LTE-A）。根據(jù)4G技術(shù)規(guī)范，運(yùn)營(yíng)商部署了第四級(jí)（Cat 4）與第六級(jí)（Cat 6）LTE-A移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，第四級(jí)LTE-A下載速度可達(dá)150Mbps，第六級(jí)LTE-A下載速度更高，可達(dá)300Mbps。

　　再過一段時(shí)間，運(yùn)營(yíng)商將部署LTE-A Pro（為L(zhǎng)TE標(biāo)準(zhǔn)的第１３版），LTE-A被認(rèn)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(gè)載波單元（LTE-A是5個(gè)），大規(guī)模多入多出技術(shù)（Massive MIMO）以及免費(fèi)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(jìn)一步把工作頻率拓展到毫米波頻段。對(duì)于LTE-A Pro，運(yùn)營(yíng)商會(huì)部署第十級(jí)(Cat 10）移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，支持450Mbps下載速度，部分運(yùn)營(yíng)商會(huì)部署下載速度達(dá)1Gpbs的第16級(jí)（Cat 16）移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。

　　雖然現(xiàn)在4G網(wǎng)絡(luò)速度還不錯(cuò)，但根據(jù)愛立信的估計(jì)，從2015到2021年，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量每年增長(zhǎng)率在45%左右，到2021年每部手機(jī)每月數(shù)據(jù)流量將從2015年的1.4GB增長(zhǎng)到8.9GB左右。

　　因?yàn)橐苿?dòng)數(shù)據(jù)流量飛速增長(zhǎng)等原因，人們對(duì)5G技術(shù)的需求是真實(shí)存在的。不同運(yùn)營(yíng)商提供的5G服務(wù)可能互有區(qū)別，但大體上每家運(yùn)營(yíng)商選擇的5G技術(shù)都包括以下三項(xiàng)：增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶、物聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器通信。

　　增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶引入毫米波技術(shù)，可使移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸速率超過10Gbps。5G網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(gè)窄帶無線互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，成為窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NBIOT）。同時(shí)，5G包含一種單獨(dú)的機(jī)器對(duì)機(jī)器通信協(xié)議（M2M），5G中規(guī)定的M2M協(xié)議被稱為L(zhǎng)TE-M。

　　“5G中對(duì)低功耗和長(zhǎng)電池壽命提出了要求，”NI首席市場(chǎng)經(jīng)理 David Hall說，“ NBIOT和LTE-M都是為機(jī)器與機(jī)器通信而設(shè)計(jì)的，在現(xiàn)有移動(dòng)通信協(xié)議上進(jìn)行了修改，它們?cè)谏漕l方面都比較簡(jiǎn)單?！?/p>

　　那么引入這些標(biāo)準(zhǔn)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(gè)市場(chǎng)變得復(fù)雜、不確定甚至混亂。例如，5G或許會(huì)把60GHz無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（WiGig）包含進(jìn)來，其他的無線標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)出一顆射頻芯片支持所有國(guó)家的所有無線通信標(biāo)準(zhǔn)?！澳隳芡瑫r(shí)滿足所有的需求嗎？不能！”ADI公司通信基礎(chǔ)設(shè)施部門首席技術(shù)官Thomas Camerson斬釘截鐵地說。所以，將來運(yùn)營(yíng)商只會(huì)支持一部分5G標(biāo)準(zhǔn)?！埃ㄟ\(yùn)營(yíng)商的）目標(biāo)是建成一個(gè)靈活的網(wǎng)絡(luò)，可以滿足細(xì)分的垂直市場(chǎng)需求?！盋amerson說道。

　　此外，相比4G，毫米波信號(hào)傳輸距離變短，由于波長(zhǎng)變短和空氣吸收等因素影響，5G信號(hào)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(gè)例子可以管窺5G網(wǎng)絡(luò)有多復(fù)雜。

　　透視5G手機(jī)

　　4G手機(jī)里面的數(shù)字部分包括應(yīng)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(hào)源和模擬開關(guān)。功率放大器用于放大手機(jī)里的射頻信號(hào)，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(jī)也要有應(yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器。不過與4G系統(tǒng)不同，5G手機(jī)還需要相控陣天線。相控陣天線由一組可獨(dú)立發(fā)射信號(hào)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(jī)中可能需要16跟天線?！懊扛炀€都有獨(dú)立的PA和移相器，并與一個(gè)覆蓋整個(gè)工作頻率的信號(hào)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(hào)收發(fā)器上面，或者與收發(fā)器做在一起，所以信號(hào)收發(fā)器要有多個(gè)由小的PA組成的發(fā)射通道。所有進(jìn)出天線的信號(hào)都在模擬域處理?！?/p>

　　用毫米波器件設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)非常有挑戰(zhàn)性?！昂芏嗫蛻舨坏P(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(shí)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)?！?/p>

　　“此外，布局布線對(duì)于毫米波的影響很大，”Rabbeni說，“各個(gè)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?！?/p>

　　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(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝和硅鍺（SiGe）工藝。“在毫米波相控陣/主動(dòng)天線應(yīng)用中，硅鍺工藝已經(jīng)得到了證明?！盩owerJazz高級(jí)戰(zhàn)略市場(chǎng)總監(jiān)Amol Kalburge說。

　　"此外，硅鍺材料可以把先進(jìn)CMOS工藝和片上無源器件集成在一起，這樣就減小系統(tǒng)級(jí)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(rèn)為硅鍺材料將在5G射頻前端IC發(fā)揮重大作用，當(dāng)然也會(huì)用到其他三-五價(jià)材料?！?/p>

　　“在6GHz頻率以下的應(yīng)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(yīng)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(gè)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(shí)現(xiàn)兩個(gè)通道的完全隔離。如果毫米波應(yīng)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(jī)會(huì)。”Kalburge說道。

　　硅鍺采用8英寸晶圓的標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(jī)一樣，5G手機(jī)也需要功率放大器?！昂撩撞☉?yīng)用中，功率放大器將是系統(tǒng)功耗的決定性因素，”三星美國(guó)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(duì)于射頻前端的要求與移動(dòng)通信中的要求有很大區(qū)別。”

　　三星已經(jīng)為5G應(yīng)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(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)PA和LNA進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，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(yīng)用到手機(jī)的關(guān)鍵一步?！?/p>

　　除了GaAs，業(yè)界也在嘗試其他的三五價(jià)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(shì)，”Strategy Analytics分析師Eric Higham說，“與硅基工藝相比，GaAs工藝的缺點(diǎn)是成本比較高，不易集成?！?/p>

　　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(jí)到6英寸。

　　在低頻段，GaAs HBT的柵極長(zhǎng)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(huì)選用柵極長(zhǎng)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(shè)施

　　實(shí)際應(yīng)用中，帶相控陣天線的手機(jī)將發(fā)射信號(hào)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(duì)接以實(shí)現(xiàn)信號(hào)連接。

　　要實(shí)現(xiàn)上述功能，還有一些問題要解決。例如，天氣狀況會(huì)影響信號(hào)路徑?！霸诤撩撞l段，由于氧氣和吸收造成的路徑損失會(huì)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I(lǐng)C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(shè)備必須支持大規(guī)模MIMO技術(shù)。基站使用的射頻功率管一般采用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(shè)施也會(huì)移到更高的頻率以拓寬數(shù)據(jù)帶寬，”穩(wěn)懋半導(dǎo)體高級(jí)副總裁David Danzilio說道，穩(wěn)懋半導(dǎo)體提供GaAs和GaN工藝代工服務(wù)?！半S著LTE邁向更高頻率，GaN技術(shù)已經(jīng)開始擴(kuò)大市場(chǎng)份額?！?/p>

　　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(jí)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?！?/p>

　　將來，5G手機(jī)中的PA甚至也可以用GaN來制造?！癎aN也會(huì)被采用，特別是在高頻率應(yīng)用。”Qorvo無線基礎(chǔ)設(shè)施與產(chǎn)品事業(yè)部總經(jīng)理 Sumit Tomar說。

　　軍用手機(jī)中已經(jīng)開始使用GaN器件，但普通智能手機(jī)用上GaN器件還要等上一段時(shí)間，因?yàn)橹挥性诘凸β蔊aN工藝上取得突破，GaN器件才能放入智能手機(jī)。

　　測(cè)試難題

　　測(cè)試測(cè)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(cè)試測(cè)量有明顯區(qū)別。

　　“現(xiàn)在幾乎所有的射頻芯片測(cè)試都是用一根線纜把射頻芯片和測(cè)試設(shè)備連起來，”NI的Hall說，“采用線纜連接射頻芯片和測(cè)試設(shè)備是為了避免測(cè)試由于路徑損失等原因?qū)е碌牟淮_定性?！?/p>

　　不過藍(lán)牙等射頻芯片在測(cè)試時(shí)，也會(huì)進(jìn)行輻射測(cè)量。量產(chǎn)測(cè)試時(shí)，芯片廠商則會(huì)采用相應(yīng)的自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備（ATE）來進(jìn)行測(cè)試。

　　但是，毫米波器件的測(cè)試測(cè)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?！埃ㄉ漕l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(cè)試設(shè)備上?！?/p>

　　所以，傳統(tǒng)的采用線纜連接的測(cè)試方法對(duì)于毫米波不適用。那么，該怎么來測(cè)試毫米波器件呢？

　　每家廠商有不同的測(cè)試方案，不過需要把幾臺(tái)昂貴的機(jī)器組合在一起才能完成對(duì)毫米波的測(cè)試測(cè)量。

　　“現(xiàn)在，毫米波測(cè)試的困難之一是這些頻率的很多信號(hào)帶寬很寬，”NI的Hall說，“毫米波器件的量產(chǎn)測(cè)試方法有現(xiàn)成的，但調(diào)制測(cè)試還沒有。工程師能夠買到100GHz或更高頻率的矢量信號(hào)分析儀（VNA），但矢量信號(hào)分析儀只適合測(cè)量S參數(shù)?！?/p>

　　矢量信號(hào)分析儀適合測(cè)量濾波器、耦合器與功放?！叭欢?，矢量信號(hào)分析儀無法測(cè)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)?！盚all說道。

　　不過Hall認(rèn)為28GHz器件是可以測(cè)量的，“28GHz 5G的標(biāo)準(zhǔn)要求500MHz帶寬，這可以做沒有問題?！?/p>

　　但是測(cè)量60GHz器件還是有難度，“有幾家公司在開發(fā)802.11ad測(cè)試方案，但現(xiàn)在我相信沒有一家WiGig的測(cè)試方案可以商用。”Hall說，“由于缺乏測(cè)試方法，工程師只能依靠‘標(biāo)準(zhǔn)被測(cè)器件’的方法，如果一顆WiGig射頻芯片能夠進(jìn)行通信，我們認(rèn)為這顆芯片就是好的。這種方法很不可靠，因?yàn)槿狈y(cè)試手段，所以現(xiàn)在市場(chǎng)上的WiGig產(chǎn)品很多都有質(zhì)量問題?！?/p>

　　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(chǎng)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(jìn)封裝。“廠商也在扇出和嵌入式封裝方面進(jìn)行嘗試?！比赵鹿飧笨偛肏arrison Chang說。

　　實(shí)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?！埃ê撩撞ǖ模┥漕l前端要復(fù)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(huì)妨礙到芯片上的射頻設(shè)計(jì)?！?/p>