5G通讯关键之——毫米波技术解析

和基站距离很远的场合。各大厂商对5G频段使用的规划是在户外开阔地带使用较传统的6GHz以下频段以保证信号覆盖率，而在室内则使用微型基站加上毫米波技术实现超高速数据传输。

　　毫米波必须配合微型基站（或接入点）使用

　　毫米波相比于传统6GHz以下频段还有一个特点就是天线的物理尺寸可以比较小。这是因为天线的物理尺寸正比于波段的波长，而毫米波波段的波长远小于传统6GHz以下频段，相应的天线尺寸也比较小。因此我们可以方便地在移动设备上配备毫米波的天线阵列，从而实现各种MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量）技术，包括波束成型（有关波束成型，我们会在下一篇文章里面详细介绍）。

　　毫米波收发机芯片如何实现

　　NICT研发的毫米波收发机架构图

　　商用的毫米波收发机芯片会使用CMOS（CMOS=complementary metal-oxide-semiconductor，指用半导体-氧化层-金属堆叠形成半导体器件的工艺，是最常用的集成电路制造工艺）工艺，这一方面为了能够和数字模块集成，另一方面为了节省成本。

　　毫米波收发机芯片的结构和传统频段收发机很相似，但是毫米波收发机有着独特的设计挑战。

　　其一是如何控制功耗。毫米波收发机要求CMOS器件能工作在毫米波频段，所以要求CMOS器件对信号的灵敏度很高。我们可以参照日常生活中的水龙头来说明这个问题。

　　大家一定都经常有开关水龙头的经验，很多水龙头在关着时，需要拧很多下才会出来一点点水，然后随着水流越来越大，只要多拧一点点水流就会变大很多。在这里，手拧龙头的动作就是激励信号，而对应的水流变化就是输出响应。CMOS器件本质上和水龙头很像，都是通过控制端（即CMOS的栅极）调整输出流量（对水龙头是水流，对CMOS则是输出电流）。

　　因此，如果需要CMOS器件对微弱的毫米波信号能快速响应，必须把它的直流电流调到很大（相当于把水龙头设置在水流很大的状态）。这样一来，CMOS电路就需要很大的功耗才能处理毫米波信号。

　　另一个毫米波芯片必须考虑的问题是传输线效应。

　　相信大家还记得高中物理里面的受力分析，（下图左）分析一根静止绳子的受力情况（静力分析）是很简单的，绳子的弹力即等于人对绳子的拉力，而且每一点都相同，这样的问题在高中物理考试里面属于送分题。但如果不是静止地拉绳子，而是用手挥动绳子呢（下图右）？这时在绳子上产生了一列机械波，每一点的受力情况都不相同，而且受力的变化不仅取决于手挥动绳子手的施力还取决于绳子的材质（决定了波长）。这时候分析受力就比较困难，属于高中物理竞赛级别的题目。

　　毫米波电路设计也会遇到类似的挑战。我们可以把电路中的导线类比成绳子，而把电路中的信号源类比为对绳施力的人。当信号变化的频率很慢的时候，就近似地等于静力分析，此时导线上每一点的信号都近似地等于信号源的信号。当信号变化很快时，由于信号的波长接近或小于导线的长度，我们必须仔细考虑导线上每一点的情况，而且导线的性质（特征阻抗）会极大地影响信号的传播。

　　这种效应在电磁学中被称为"传输线效应"，在设计毫米波芯片时必须仔细考虑传输线效应才能确保芯片正常工作。

　　不过，尽管设计充满挑战，毫米波芯片大规模商用化目前已现曙光。Broadcom已经推出了60GHz的收发机芯片（BCM20138），该产品主要针对60GHz频段的WiFi标准（802.11.ad），也可以看作是为5G毫米波芯片解决方案投石问路。Qualcomm也于两年前不甘落后收购了专注于毫米波技术的Wilocity。同时，三星，华为海思等重量级选手也在加紧研发毫米波芯片。相信在近期我们就会看到毫米波射频芯片市场变得热闹非凡。

　　Wilocity推出的60GHz芯片

　　结语

　　毫米波技术可以通过提升频谱带宽来实现超高速无线数据传播，从而成为5G通讯技术中的关键之一。毫米波芯片设计必须克服功耗和电磁设计两大难关，当这两个问题解决后大规模商用只是时间问题。