从设计、测试到封装，5G毫米波技术面临哪些挑战？

"5G中对低功耗和长电池寿命提出了要求，"NI首席市场经理 David Hall说，" NBIOT和LTE-M都是为机器与机器通信而设计的，在现有移动通信协议上进行了修改，它们在射频方面都比较简单。"

那么引入这些标准的副作用在哪里？ WiFi等无线技术都能被置于5G概念内，将是整个市场变得复杂、不确定甚至混乱。例如，5G或许会把60GHz无线网络技术（WiGig）包含进来，其他的无线标准也在不断涌现，例如LoRa和Sigfox。

但是不太可能（如果不是不可能）设计出一颗射频芯片支持所有国家的所有无线通信标准。"你能同时满足所有的需求吗？不能！"ADI公司通信基础设施部门首席技术官Thomas Camerson斩钉截铁地说。所以，将来运营商只会支持一部分5G标准。"（运营商的）目标是建成一个灵活的网络，可以满足细分的垂直市场需求。"Camerson说道。

此外，相比4G，毫米波信号传输距离变短，由于波长变短和空气吸收等因素影响，5G信号传播距离大约为200米。为了满足短距离传输范围的数据流量需求，5G将采用大规模多入多出技术（Massive MIMO），通过使用多根天线来倍增系统通信容量。从这个例子可以管窥5G网络有多复杂。

透视5G手机
4G手机里面的数字部分包括应用处理器和调制解调器，射频前端则包括功率放大器（PA）、射频信号源和模拟开关。功率放大器用于放大手机里的射频信号，通常采用砷化镓（GaAs）材料的异质结型晶体管（HBT）技术制造。

未来的5G手机也要有应用处理器和调制解调器。不过与4G系统不同，5G手机还需要相控阵天线。相控阵天线由一组可独立发射信号的天线组成，利用波束成型技术，每根相控天线都可以根据波束来调整方向。

5G智能手机中可能需要16跟天线。"每根天线都有独立的PA和移相器，并与一个覆盖整个工作频率的信号收发器相连，"Strategy Analytics行业分析师Chris Taylor说道，"理想的状况是把天线放在信号收发器上面，或者与收发器做在一起，所以信号收发器要有多个由小的PA组成的发射通道。所有进出天线的信号都在模拟域处理。"

用毫米波器件设计一个系统非常有挑战性。"很多客户不但关心系统的架构，还想知道究竟用什么技术来具体实现，"GlobalFoundries Rabbeni说道，"这很大程度上取决于系统要集成多少功能，以及如何划分子系统。"

"此外，布局布线对于毫米波的影响很大，"Rabbeni说，"各个部件之间靠得很近以减小损耗。处理毫米波电路不是一件容易事。"

相控阵器件通常由不同的工艺制造而成，不过现在多数采用标准CMOS工艺和硅锗（SiGe）工艺。"在毫米波相控阵/主动天线应用中，硅锗工艺已经得到了证明。"TowerJazz高级战略市场总监Amol Kalburge说。

"此外，硅锗材料可以把先进CMOS工艺和片上无源器件集成在一起，这样就减小系统级芯片（SoC）的面积以提高集成度，并在成本与性能的平衡上做到更好，"Kalburge说，"我们认为硅锗材料将在5G射频前端IC发挥重大作用，当然也会用到其他三-五价材料。"

"在6GHz频率以下的应用中，SOI工艺的开关将继续是主流，但SOI开关在毫米波频率的应用研究还不充分，其可发挥的作用与可能遇到的问题还是个未知数。波束成型天线可以支持不同的收发通道，所以在毫米波中有可能不需要天线开关也能实现两个通道的完全隔离。如果毫米波应用仍然需要模拟开关，现在的SOI工艺开关由于插入损耗高，很有可能不可用。SOI工艺的不足将给MEMS工艺开关或其他新技术带来机会。"Kalburge说道。

硅锗采用8英寸晶圆的标准CMOS制造流程，晶圆代工厂也在持续提高硅锗工艺的性能。例如，GlobalFoundries最近推出的130nm硅锗工艺，其工作频率最高可达340GHz，比旧工艺提高了25%。此外，TowerJazz最近也推出了130nm硅锗工艺。

与4G手机一样，5G手机也需要功率放大器。"毫米波应用中，功率放大器将是系统功耗的决定性因素，"三星美国研究中心的主任工程师Jeffery Curtis说道，"毫米波系统中有现成的功率放大器可用，但现在的毫米波系统对于射频前端的要求与移动通信中的要求有很大区别。"

三星已经为5G应用开发了一款28GHz的集成了低噪声放大器（LNA）和模拟开关的功率放大器。该器件使用0.15微米的GaAs工艺，"根据应用场景，对PA和LNA进行了特殊设计，我们把功耗降低了65%，"Curtis说，"将这些器件集成在一起减小尺寸，是把其应用到手机的关键一步。"

除了GaAs，业界也在尝试其他的三五价材料来制造PA，例如硅锗。"与制造PA所使用的其他工艺相比，GaAs在效率、线性度和频率范围等方面都有优势，"Strategy Analytics分析师Eric Higham说，"与硅基工艺相比