5G毫米波前端MMIC的新突破與應(yīng)用優(yōu)勢

5G通信已經(jīng)成為人們生活的一部分，其中具備高速率、高容量、低延時(shí)的5G毫米波逐漸成為關(guān)注的重點(diǎn)，基站側(cè)和終端側(cè)的設(shè)備（圖1）蘊(yùn)含了巨大的毫米波前端芯片市場，引起了業(yè)界廣泛的布局和投入。業(yè)界為5G毫米波通信提供了多種芯片方案（GaAs/GaN毫米波前端方案和Si/SiGe基毫米波前端方案）和部署方案，呈現(xiàn)百花齊放、各家爭鳴的特點(diǎn)。盡管如此，5G毫米波部署因?yàn)閼?yīng)用體驗(yàn)差、經(jīng)濟(jì)效益低而阻力重重，行業(yè)急需一種性能全面優(yōu)異且成本實(shí)惠的芯片方案和部署方案來解決5G毫米波通信的基礎(chǔ)芯片難題，以便5G毫米波通信產(chǎn)生更好的經(jīng)濟(jì)效益，更好地滿足人們的預(yù)期。

圖1 5G毫米波鏈路設(shè)備和輻射鏈路示意圖

5G毫米波前端MMIC芯片新突破

深圳市晶準(zhǔn)通信技術(shù)有限公司面向5G毫米波通信應(yīng)用，在5G毫米波MMIC進(jìn)行了理論探索和產(chǎn)品研制，提出了兼顧性能、成本以及具備現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)的GaAs基異構(gòu)芯片方案，即化合物基電路實(shí)現(xiàn)完整的射頻鏈路，Si基電路實(shí)現(xiàn)控制與能源管理功能。晶準(zhǔn)通信成功實(shí)現(xiàn)了GaAs基工藝的最佳單位面積功能集成度和最佳性能集成度，這一標(biāo)志性突破將極大地降低面向5G毫米波通信和毫米波雷達(dá)的化合物基毫米波芯片成本以及尺寸，具有巨大的潛在經(jīng)濟(jì)效益。

晶準(zhǔn)通信的第一次流片就較為成功地驗(yàn)證了新方案路線的MMIC產(chǎn)品可行性，并向行業(yè)伙伴和潛在用戶送樣。目前所完成驗(yàn)證的產(chǎn)品包括5G毫米波TR前端芯片（圖2）、毫米波功率放大器（PA）、毫米波低噪聲放大器（LNA）、毫米波高功率開關(guān)（HP_SPDT）、毫米波小尺寸開關(guān)（LP_SPDT）等，其中5G毫米波TR前端芯片的尺寸為行業(yè)同功能GaAs TR MMIC的1/4以下。晶準(zhǔn)通信將5G毫米波相關(guān)的產(chǎn)品功能的尺寸降低至現(xiàn)有市場商用產(chǎn)品尺寸的1/10-1/4，將成本做到接近Si/SiGe基毫米波芯片的成本，同時(shí)保持?jǐn)?shù)倍于Si/SiGe基毫米波芯片的性能，打破了GaAs在MMIC應(yīng)用以來數(shù)十年功能集成度和性能集成度難以提升的行業(yè)瓶頸，并為GaAs等化合物基毫米波芯片相對Si/SiGe基毫米波芯片在普通商用領(lǐng)域展現(xiàn)出絕對的優(yōu)勢。

圖2 晶準(zhǔn)通信5G毫米波TR前端集成芯片（1.3mm2）

下面以TR集成毫米波前端芯片（圖2）為例分別進(jìn)行功能模塊介紹，主要包括4個(gè)模塊：發(fā)射鏈路功率放大器PA（圖3）、高功率非對稱開關(guān)HP_SPDT、接收鏈路低噪聲放大器LNA（圖4）、集成小尺寸開關(guān)LP_SPDT。幾種毫米波功能模塊在毫米波相控陣系統(tǒng)中占據(jù)至關(guān)重要的角色，并占據(jù)最大的尺寸比重，每一種功能都影響毫米波多通道芯片的成本、性能以及使用便捷性。

基于產(chǎn)品驗(yàn)證和業(yè)界需求，結(jié)合TR芯片中的PA功能模塊構(gòu)建了一種雙通道PA（圖3）。

圖3 晶準(zhǔn)通信24-28GHz雙通道PA以及輸出功率測量結(jié)果

圖3顯示了雙通道PA MMIC的照片和輸出功率，在24-28GHz的整個(gè)帶寬里輸出功率大于25dBm，增益大約10-15dB，且較為平坦。我們還測試了P-1與P-3的差別，相差不到0.3dB，顯示該P(yáng)A具有優(yōu)秀的線性特性。該P(yáng)A（2級）直流偏置不到80mA，在多通道集成芯片中完全滿足系統(tǒng)散熱要求；核心電路尺寸不到0.35mm2，功率密度達(dá)到約1W/mm2。在產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的報(bào)道中，該雙通道PA輸出功率密度處于最高功率密度水平，幾乎和GaN基商用毫米波PA MMIC的功率密度持平。

該雙通道PA可以用于5G毫米波（n258）系統(tǒng)的發(fā)射鏈路，或24GHz雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射鏈路的前置PA。

圖4 晶準(zhǔn)通信24-28GHz LNA以及噪聲系數(shù)測量結(jié)果

圖4顯示了3級LNA MMIC（與圖1中TR芯片中LNA相同）的照片和測量噪聲系數(shù)，在24-28GHz的整個(gè)帶寬里接收噪聲系數(shù)約不到2dB，增益大約20dB，輸出P-1大于10dBm；核心電路尺寸不到0.30mm2。在產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的報(bào)道中，在同等性能和功能前提條件下，該LNA MMIC的尺寸是現(xiàn)有商用產(chǎn)品尺寸的1/4以下。

該LNA MMIC可以用于5G毫米波（n258）系統(tǒng)的接收鏈路，或24GHz雷達(dá)系統(tǒng)的接收鏈路前置LNA。

圖5 晶準(zhǔn)通信24-28GHz HP_SPDT插入損耗測量結(jié)果

圖5顯示了射頻前端的前置開關(guān)HP_SPDT（由于尺寸太小，不方便獨(dú)立成產(chǎn)品）的插入損耗測量結(jié)果，為了滿足PA的輸出功率線性度要求和LNA的低噪聲以及隔離要求，該開關(guān)采用了全新的設(shè)計(jì)，核心尺寸不到0.15mm2，發(fā)射鏈路損耗小于0.8dB，接收鏈路損耗約1.2dB，隔離度大于25dBc。在產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的報(bào)道中，該開關(guān)為同等性能下最小尺寸。

圖6 晶準(zhǔn)通信24-28GHz LP_SPDT插入損耗測量結(jié)果

圖6顯示了射頻前端的小尺寸開關(guān)LP_SPDT（由于尺寸太小，不方便獨(dú)立成產(chǎn)品）的插入損耗測量結(jié)果，核心尺寸不到0.02mm2，插入損耗約1.5dB，該開關(guān)輸入P-1大于10dBm，隔離度大于20dBc，用于收發(fā)鏈路信號切換。在產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的報(bào)道中，該開關(guān)占用芯片尺寸幾乎是所有毫米波開關(guān)中最小的。

綜合上述，晶準(zhǔn)通信實(shí)現(xiàn)了基于GaAs工藝的高集成度驗(yàn)證，并驗(yàn)證了高度集成設(shè)計(jì)下的芯片產(chǎn)品性能。在TR集成芯片中，可表現(xiàn)為發(fā)射輸出功率大于24dBm，接收噪聲系數(shù)約3dB，核心部分尺寸低于1mm2，展示出最高的單位尺寸功能集成度和單位功能性能集成度。與行業(yè)中的同功能類型或同應(yīng)用類型的Si/SiGe基毫米波芯片相比，發(fā)射輸出功率相對行業(yè)Si/SiGe主流芯片產(chǎn)品有4-10dB的提升，接收噪聲有2-3dB的性能提升，而芯片核心尺寸低于大部分Si/SiGe TR（同功能部分）芯片的尺寸，打破了業(yè)界關(guān)于GaAs毫米波芯片難以滿足毫米波相控陣天線間距的認(rèn)知，并做到了完全超越Si基毫米波TR芯片的射頻功能和性能集成密度。

晶準(zhǔn)通信將向5G通信設(shè)備商伙伴提供集成4通道、8通道（支持雙極化）的5G毫米波MMIC芯片或AiP模組（圖7）。預(yù)期8通道芯片JC1101（圖7）尺寸約5*6mm2，輸出功率P-1大于24dBm，接收噪聲系數(shù)小于3dB，支持雙極化和獨(dú)立波束賦形。

圖7 8通道芯片JC1101芯片架構(gòu)與以及TR芯片被集成示意圖

晶準(zhǔn)通信5G毫米波前端芯片的應(yīng)用優(yōu)勢

為了更直觀地分析晶準(zhǔn)通信異構(gòu)方案在5G毫米波網(wǎng)絡(luò)部署中的積極意義，從毫米波通信的兩個(gè)維度進(jìn)行了對比分析：一個(gè)是通信鏈路（上行鏈路與下行鏈路）中的性能收益（圖8）；另一個(gè)是5G毫米波網(wǎng)絡(luò)部署的經(jīng)濟(jì)效益（圖9）。

圖8 不同方案的5G毫米波通信鏈路的性能對比

圖9 晶準(zhǔn)通信毫米波芯片方案具有的潛在經(jīng)濟(jì)效益

對比分析選擇了行業(yè)中輸出功率能力最高的SiGe BiCMOS毫米波產(chǎn)品（某公司4通道波束賦形芯片：輸出功率20dBm）來構(gòu)建基站設(shè)備，同時(shí)參考較為優(yōu)秀的Si CMOS芯片構(gòu)建終端AiP，共同構(gòu)成業(yè)界典型的部署案列，為組合1；（本文引用的產(chǎn)品來自學(xué)術(shù)界相關(guān)論文（與產(chǎn)品相關(guān)聯(lián)），數(shù)據(jù)如有錯誤，歡迎指正修改。）基于晶準(zhǔn)通信已獲得性能驗(yàn)證的產(chǎn)品構(gòu)建組合2。組合1與組合2的對比分析結(jié)果和毫米波鏈路性能收益如圖8所示，可見，基于組合2方案部署的毫米波信號鏈路在通信上行鏈路和下行鏈路都取得優(yōu)異的性能提升，大大提升了毫米波網(wǎng)絡(luò)部署的經(jīng)濟(jì)效益。

在構(gòu)建用于5G毫米波通信的單極化相控陣天線時(shí)，對于輻射EIRP為64dBm (P-1)的基站天線設(shè)備，僅需要晶準(zhǔn)通信TR芯片約64通道（對應(yīng)JC1101芯片約16顆），在大規(guī)模量產(chǎn)下，相應(yīng)的裸片生產(chǎn)成本低于1000元，低于同樣性能（EIRP輻射值）下Si/SiGe基工藝的裸片總成本；在基站設(shè)備的其他部分，有效天線面積可以縮小至25%（相對Si基毫米波方案的基站），波束算法成本、電源管理成本、能耗也將顯著降低。晶準(zhǔn)通信的芯片方案將極大地有利于毫米波信號覆蓋的改善和鏈路穩(wěn)定性。

如圖9所示，從產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)、最佳能源效率、最小部署難度、部署成本等角度看，晶準(zhǔn)通信的芯片方案將成為更為優(yōu)異的選擇。

綜上所述，晶準(zhǔn)通信在毫米波MMIC芯片上的突破將極大地降低5G毫米波基站的成本，為毫米波移動通信網(wǎng)絡(luò)的部署提供顯著的經(jīng)濟(jì)效益，利于5G毫米波通信的應(yīng)用領(lǐng)域的拓展和大規(guī)模部署。在可預(yù)見的將來，毫米波通信的每比特硬件成本和每比特能耗將降低至現(xiàn)有已部署網(wǎng)絡(luò)的1/100以下，并將遠(yuǎn)低于Sub-6GHz方案。

審核編輯 ：李倩