关于5G毫米波相控阵的调研讲解文档格式.docx
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5G市场已经开始升温。
Anokiwave、博通、英特尔、Qorvo、高通、三星以及其他不断涌现出来的厂商，正在开发5G芯片。
完成5G网络部署还面临诸多挑战，举个例子，虽然设备商和芯片厂商已经在开发5G产品，但5G标准还没有确定。
1、发展
2G：
是第二代手机通信技术规格的简称，一般定义为无法直接传送如电子邮件、软件等信息；
只具有通话和一些如时间日期等传送的手机通信技术规格。
3G：
第三代移动通信技术（3rd-generation，3G），是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。
3G服务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百kbps以上
4G：
是第四代移动通信及其技术的简称，3G是第三代移动通信技术的简称。
相比3G，4G带宽更高，能够传输更高质量的视频及图像。
5G：
网络将有更大的容量和更快的数据处理速度，通过手机、可穿戴设备和其它联网硬件推出更多的新服务将成为可能。
5G的容量预计是4G的1000倍
2、状况
国内：
早在2009年，华为就已经展开了相关技术的早期研究，并在之后的几年里向外界展示了5G原型机基站。
华为在2013年11月6日宣布将在2018年前投资6亿美元对5G的技术进行研发与创新，并预言在2020年用户会享受到20Gbps的商用5G移动网络。
国际：
日本期望于2020年开始运作。
英国预计于2018年投入公众测试，2020年正投入商用
欧盟的5G网络将在2020年~2025年之间投入运营
3、影响：
从用户体验看，5G具有更高的速率、更宽的带宽，预计5G网速将比4G提高10倍左右，只需要几秒即可下载一部高清电影，能够满足消费者对虚拟现实、超高清视频等更高的网络体验需求
从行业应用看，5G具有更高的可靠性，更低的时延，能够满足智能制造、自动驾驶等行业应用的特定需求，拓宽融合产业的发展空间，支撑经济社会创新发展。
从发展态势看，5G目前还处于技术标准的研究阶段，今后几年4G还将保持主导地位、实现持续高速发展。
但5G有望2020年正式商用
（三）社会评价：
欧盟数字经济和社会委员古泽·
奥廷格表示，5G必须是灵活的，能够满足人口稠密地区、人口稀疏地区以及主要的交通线等各种场景的需要
对信息通信业而言，今年全国“两会”透露的信息着实令人振奋。
不仅李克强总理在政府工作报告中指出我国已建成全球最大的4G网络，为4G点赞，而且“十三五”规划纲要（草案）中明确提出，将积极推进第五代移动通信（5G）和超宽带关键技术研究，启动5G商用。
二关于毫米波
（一）微波的频段划分
微波按波长不同可分为分米波，厘米波、毫米波及亚毫米波，分别对应于特高频UHF（0.3～3GHz）、超高频SHF（3～30GHz）、极高频EHF（30～300GHz）及至高频THF（300GHz～3THz）。
微波部分频段的代号
代号
频段（GHz）
波长（cm）
L
1-2
30-15
S
2-4
15-7.5
C
4-8
7.5-3.75
X
8-13
3.75-2.31
Ku
13-18
2.31-1.67
K
18-28
1.67-1.07
Ka
28-40
1.07-0.75
（二）什么是毫米波
实际上，毫米波是指波长在1～10毫米的电磁波，其频率大约在30GHz~300GHz之间。
它位于微波与远红外波相交叠的波长范围，因而兼具两种波普的特点。
理论上讲，毫米波是光波向低频的发展与微波向高频的延伸。
从通信原理来看，无线通信最大信号带宽约在载波频率的5%左右，也就是说，载波频率越高，其可实现的信号带宽也就越大。
此外，在毫米波频段中，28GHz与60GHz是最有望应用在5G通信的两个频段。
（三）毫米波的特性
优点：
从理论上讲，毫米波是光波向低频的发展与微波向高频的延伸。
由于毫米波的独有特性，使其在传播时不易受到自然光和热辐射源的影响，不光是通信，其还可应用于雷达、制导等诸多领域。
缺点：
尽管毫米波技术用途广泛，但其也不可避免地存有短板。
例如其传播距离最多只能在200米左右，无法实现远距离传输，又或是毫米波的穿透能力不强，在空气中衰减较大，遇到墙或者其他阻碍就无法发挥作用。
（四）毫米波的应用
毫米波技术最早应用在航空军工领域，如今汽车雷达、60GHzWi-Fi都已经采用，将来5G也必然会采用。
三毫米波与5G
早期的5G新工作频率会是28GHz（美国）与39GHz（欧洲），后面将引入其他频率，例如60GHz（注，通信行业不太看好60GHz，因为60GHz信号传播的大气衰减比较严重）、71GHz至86GHz，甚至可能用到300GHz。
（一）高通谈5G不是只有快28GHz频段毫米波首度展出
高通（Qualcomm）更在MWC期间演示採用28GHz频段的5G毫米波技术（MillimeterWave），同时宣布与爱立信合作，并且加入中国移动5G联合创新中心。
DurgaMalladi特别提到，为什么高通要演示基于28GHz的5G毫米波。
由于现在大部分手机的工作频段都是在2GHz、2.6GHz或3.5GHz，过去整个蜂窝无线网路从来没有在28GHz这个频段上进行探索过，因为在这麽高的频段，讯号很容易受到阻挡，可能很小的移动就会让网路无法连接。
现在我们打电话，即使随意转动也不会影响通话质量，但是在28GHz的频段下，当你转一个方向，你的头部也许就会成为障碍物，阻挡了讯号，同时也影响手机的使用，而这项技术的挑战难度在于如何利用这个频谱，使其发挥作用。
高通进行5G毫米波28GHz演示，展现调适性波束成型与波束追踪技巧，在设备间无障碍物（LOS）以及非直视性（NLOS）的射频通道条件下能进行稳定持续的宽频通讯，以及优异的装置行动力。
DurgaMalladi表示，高通利用波束形成、波束追踪等技术解决，当小基站不动，UE在移动，波束就会随着它的移动而去自动追踪它，这样就可以确保两者之间的连接还是保持在一个非常稳定的状态。
UE:
5G新空口原型系统包括基站和用户设备UE，并充当试验平台以验证5G新空口功能，支持超过100MHz的大射频带宽，可实现每秒数千兆比特的数据传输速率；
它还支持全新的集成子帧设计，空口传输时延较当今4G
LTE网络显着降低。
高通执行副总裁CristianoAmon表示，高通预计2018年进行5G原型设计和测试，商用服务预计会在2020年实现。
高通工程技术副总裁DurgaMalladi强调，5G不仅是行动宽频的概念，还是一个系统，将来所有产业的升级。
（二）5G毫米波面临的挑战
（1）测试难题
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，“28GHz5G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。
（2）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。
所以民用市场在考虑采用QFN封装和多芯片模组，以及其他适合毫米波的先进封装。
“厂商也在扇出和嵌入式封装方面进行尝试。
”日月光副总裁HarrisonChang说。
实际上，在毫米波芯片封装上，封装工程师必须考虑更多的因素，尝试更多的方法。
“（毫米波的）射频前端要复杂得多，”Chang说，“我们必须保证封装的结构，例如连线、垫盘（pad）和通孔，使之不会妨碍到芯片上的射频设计。
（3）标准
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ThomasCamerson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。
（4）传播
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（MassiveMIMO），通过使用多根天线来倍增系统通信容量
（5）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。
四．5G毫米波相控阵
（1）相控阵介绍
如图，相控阵是由衰减器、移相器、放大器、低噪放组成。
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AmolKalburge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。
（2）典型产品
awmf-0108是一个高度集成硅四核5gIC用于相控阵的应用程序。
设备支持四个Tx/Rx辐射元素,包括所有必要的光束控制控制5阶段和增益控制,并以半双工方式运作,使单个天线同时支持Tx和Rx操作。
设备提供24分贝增益和+9dBm输出功率传输模式和31dB的增益,5.0dBNF--28dBmIIP3在接收模式。
附加功能包括增益补偿温度,温度报告、发射功率遥测,快速波束切换使用八片上束重量存储寄存器。
设备功能ESD保护所有别针,+1.8V电源操作,打包在48领先6x6毫米QFN平面相控阵天线安装方便。
aws-0101是一个高度集成硅四核5gIC用于雷达和相控阵的应用程序。
设备支持四个辐射元素,单波束传输,双光束接收和包括所有必要的光束控制控制6阶段和增益控制。
设备提供了21个分贝增益在传输模式,在传输+15dBm的输出功率,在收到3.4dBNF。
附加功能包括增益补偿温度,温度报告和快速波束切换使用八片上梁重量存储寄存器。
设备特性ESD保护所有的针,从+1.8v供应运作,打包在56领先7x7QFN平面相控阵天线安装方便。
aws-0102是一个高度集成的四核硅集成电路用于卫星通信的应用程序。
设备支持四双极化辐射元素完全可编程的极化的灵活性。
设备提供22分贝噪声指数为3.4dB的增益。
附加功能包括对温度和温度报告获得补偿。
芯片的ESD保护特性在所有别针,+1.8V电源操作,包装在56领先7x7mmQFN平面相控阵天线安装方便
aws-0103是一个高度集成硅四核5gIC用于雷达和相控阵的应用程序。
该设备提供了21个分贝增益和+15dBm的输出功率在传输模式和7分贝增益和+7dBmIIP3在接收模式。
设备特性ESD保护所有的针,从+1.8v供应运作,打包在56领先7x7mmQFN平面相控阵天线安装方便。
awmf-0106是一个集成功率放大器、低噪声放大器、限幅器,用于相控阵雷达T/R开关应用。
设备提供30dB线性增益和4w饱和输出功率在Tx模式;
24分贝增益和2.8dB噪音图在处方模式。
附加功能包括Tx输出功率检测、功率放大器的积极偏见阶段,积极自我偏见的低噪声放大器阶段。
双重Rx输出提供了启用双Rx梁相控阵的应用程序。
设备功能ESD保护和包装在7×
7毫米,56领先7x7QFN平面相控阵列安装方便。
MMIC在0.25嗯砷化镓技术实现。
结论：
虽然5G已经成为一种潮流，各厂家也在积极的开发5G芯片，但5G的标准并没有确立，并且我们面临着测试、标准、封装、传播、功耗等挑战。
所以我们距离5G时代还有一段路要走。
从通信原理来看，在毫米波频段中，28GHz与60GHz是最有望应用在5G通信的两个频段。
然而，通信行业不太看好60GHz，因为60GHz信号传播的大气衰减比较严重。
相比而言，他们更看好28GHz。
在工艺方面，GaAs在效率、线性度和频率范围等方面都有优势，与硅基工艺相比，GaAs工艺的缺点是成本比较高，不易集成。
相比而言，硅锗材料将在5G射频前端IC发挥重大作用。
参考资料：
1、《发展5G网络的关键技术：
毫米波》
--
太平洋电脑网
作者：
卡夫卡
2、《从航天军工来到5G，毫米波技术还面临哪些挑战》
--电子技术设计网
3、《高通談5G不是只有快28GHz頻段毫米波首度展出》
--msn新闻
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