从设计、测试到封装，5G毫米波技术面临哪些挑战？

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，GaAs工艺的缺点是成本比较高，不易集成。"

Higham表示，GaAs代工厂大部分还采用4英寸晶圆来生产，但是为了降低成本，很多厂商开始把产线升级到6英寸。

在低频段，GaAs HBT的栅极长度通常在0.25至0.5微米之间，"要做到毫米波频率，多数器件厂商会选用栅极长度在0.1至0.15微米的工艺，"Higham说，"Qorvo推出了90nm的GaAs工艺，不过90nm已经是现在量产GaAs工艺的极限尺寸了。"

基础设施
实际应用中，带相控阵天线的手机将发射信号给基站和微蜂窝基站，基站和微蜂窝基站将与相控阵天线对接以实现信号连接。

要实现上述功能，还有一些问题要解决。例如，天气状况会影响信号路径。"在毫米波频段，由于氧气和吸收造成的路径损失会更大，"Anokiwave CEO Robert Donahue说道，"解决方法是采用波束成型技术。"

Anokiwave刚刚发布一款被称为"5G四核"的IC，工作频率为28GHz，具备相控阵功能。这款IC使用硅锗工艺，可用于微蜂窝基站等系统。

理论上，这种芯片可与基站通信。与4G不同，4.5G和5G设备必须支持大规模MIMO技术。基站使用的射频功率管一般采用LDMOS工艺，但现在LDMOS工艺正在被氮化镓（GaN）工艺取代。

"和LTE-A一样，5G基础设施也会移到更高的频率以拓宽数据带宽，"稳懋半导体高级副总裁David Danzilio说道，稳懋半导体提供GaAs和GaN工艺代工服务。"随着LTE迈向更高频率，GaN技术已经开始扩大市场份额。"

现在，大多数GaN器件使用3英寸或者4英寸线来生产，但据Strategy Analytics的消息，Qorvo在2016年底可以将其GaN产线升级到6英寸。GaN工艺尺寸正在从0.25至0.5微米向0.15微米转换，技术领先的厂商已经在尝试60纳米。

"GaN是一种宽禁带材料，"Strategy Analytics的Higham说，"这意味着GaN能够耐受更高的电压，也意味着GaN器件的功率密度和可工作温度更高。所以，与GaAs和磷化铟（InP）等其他高频工艺相比，GaN器件输出的功率更大；与LDMOS和SiC（碳化硅）等其他功率工艺相比，GaN的频率特性更好。"

将来，5G手机中的PA甚至也可以用GaN来制造。"GaN也会被采用，特别是在高频率应用。"Qorvo无线基础设施与产品事业部总经理 Sumit Tomar说。

军用手机中已经开始使用GaN器件，但普通智能手机用上GaN器件还要等上一段时间，因为只有在低功率GaN工艺上取得突破，GaN器件才能放入智能手机。

测试难题
测试测量大概是5G生产制造流程中最困难的一环。与4G射频芯片相比，毫米波的测试测量有明显区别。

"现在几乎所有的射频芯片测试都是用一根线缆把射频芯片和测试设备连起来，"NI的Hall说，"采用线缆连接射频芯片和测试设备是为了避免测试由于路径损失等原因导致的不确定性。"

不过蓝牙等射频芯片在测试时，也会进行辐射测量。量产测试时，芯片厂商则会采用相应的自动化测试设备（ATE）来进行测试。

但是，毫米波器件的测试测量完全是另外一回事。例如，相控阵天线可能是绑定在射频前端器件上。"（射频前端器件）封装就把天线包在里面了，"是德科技5G技术架构师Mike Millhaem说，"所以在器件上没有射频接口和端子来连接到测试设备上。"

所以，传统的采用线缆连接的测试方法对于毫米波不适用。那么，该怎么来测试毫米波器件呢？

每家厂商有不同的测试方案，不过需要把几台昂贵的机器组合在一起才能完成对毫米波的测试测量。

"现在，毫米波测试的困难之一是这些频率的很多信号带宽很宽，"NI的Hall说，"毫米波器件的量产测试方法有现成的，但调制测试还没有。工程师能够买到100GHz或更高频率的矢量信号分析仪（VNA），但矢量信号分析仪只适合测量S参数。"

矢量信号分析仪适合测量滤波器、耦合器与功放。"然而，矢量信号分析仪无法测试调制质量，但调制质量是射频芯片的重要参数。"Hall说道。

不过Hall认为28GHz器件是可以测量的，"28GHz 5G的标准要求500MHz带宽，这可以做没有问题。"

但是测量60GHz器件还是有难度，"有几家公司在开发802.11ad测试方案，但现在我相信没有一家WiGig的测试方案可以商用。"Hall说，"由于缺乏测试方法，工程师只能依靠‘标准被测器件’的方法，如果一颗WiGig射频芯片能够进行通信，我们认为这颗芯片就是好的。这种方法很不可靠，因为缺乏测试手段，所以现在市场上的WiGig产品很多都有质量问题。"

封装
军用毫米波产品大多采用陶瓷或者金属封装，这些封装可靠性很好，但是成本很高。