国产5G毫米波前端芯片的新突破

　　5G毫米波前端GaAs基芯片新突破
　　来源：半导体行业观察
　　5G通信已经成为人们生活的部分，其中具备高速率、高容量、低延时的5G 毫米波逐渐成为关注的重点，其巨大的市场前景引起了业界广泛的布局和投入。业界为5G毫米波通信提供了多种芯片方案（GaAs/GaN毫米波前端方案和Si/GeSi基毫米波前端方案）和部署方案，呈现百花齐放、各家争鸣的特点，但现状是所有芯片方案都需要极大的改进或进步。行业需要一种性能全面优异且成本实惠的芯片方案和部署方案来解决5G 毫米波通信的基础芯片难题，以便5G毫米波通信产生更好的经济效益，更好的满足人们的预期。
　　深圳市晶准通信技术有限公司（以下简称＂晶准通信＂）面向5G 毫米波通信应用，在5G毫米波MMIC进行了理论探索和产品研制，提出了GaAs基异构芯片方案，成功实现了GaAs基工艺的业界最佳的单位面积功能集成度和最佳性能集成度，这一标志性突破将极大的降低面向5G 毫米波通信和毫米波雷达的化合物基毫米波芯片成本以及尺寸，具有巨大的潜在经济效益。目前所完成的产品验证包括5G毫米波TR 前端芯片（如图.1所示）、毫米波功率放大器（PA）、毫米波低噪声放大器（LNA）、毫米波高功率开关（HP_SPDT）、毫米波小尺寸开关（LP_SPDT）等，其中5G毫米波TR 前端芯片的尺寸为行业同功能GaAs TR MMIC尺寸的1/4 以下。晶准通信将5G毫米波相关的产品功能的尺寸降低至现有市场商用产品尺寸的1/10~1/4，几乎将成本做到接近Si/GeSi基毫米波芯片的成本，同时保持数倍于Si/GeSi基毫米波芯片的性能，打破了GaAs在MMIC应用以来数十年功能集成度和性能集成度难以提升的行业瓶颈，并为GaAs等化合物基毫米波芯片相对Si/GeSi基毫米波芯片在普通商用领域展现出绝对的优势。
　　图.1 晶准通信5G 毫米波TR前端集成芯片
　　（1.3 mm²）
　　特别说明的是，晶准通信的双通道毫米波PA（如图.3所示）（>25dBm）的功率密度接近0.8W/mm²（其中PA核心区域的功率密度超过1 W/mm²），几乎接近同频段下的GaN MMIC功率密度。
　　5G 毫米波通信现状
　　移动通信经历过数十年和5个世代的发展，为社会带了巨大的变化，融入了人们生活的每个细节。现在，第5代移动通信（5G）在世界主要国家已经广泛部署，逐渐成为人们生活的主要通信方式。在5G 的部署方案中，第一次出现工作于毫米波频段的新方案，5G毫米波通信方案与Sub-6G的或2G～4G的部署方案具有显著不同的特点：一是毫米波通信链路采用全新的硬件架构；二是毫米波的应用基于解决新的通信瓶颈或为满足新的需求。
　　关于Sub-6G的部署方案，众所周知：基于算法优化的通信算法已经逼近香浓定律指示的极限；可使用频段非常有限，通信业界甚至采取退网2G、3G、4G以便获取5G通信频段的方式扩展Sub-6G的通信的容量；采取数字波束赋形算法获取系统容量提升需要付出足够高的算力资源和电力能源，单位比特成本效益和能耗效益的提升相对4G非常有限。Sub-6G的方案已经遇到难以克服的科学瓶颈和工程瓶颈。业界科学家、研究机构和产业公司将目光放到6GHz以上的频段，积极谋取频段授权和进行产业基础布局。
　　5G通信部署网络中出现的新的毫米波频段（FR2）通信方案已经在部分国家规模化商用，但相对Sub-6G的部署规模来说还非常小。5G毫米波通信网络相对Sub-6G通信网络具有几个新特性：更高的容量和速率；更低的延时；可构建绝对安全的物理信道；更高的理论的单比特成本效益和能耗效益；精准的物理定位和多功能感知应用；数十倍以上的可使用带宽（结合波束赋形等技术，毫米波载波系统相对Sub-6G可实现上千倍通信容量提升）等，在人们突破香浓定律预示的理论极限或工程上实现更高效率的算力芯片或更高性能的功率器件之前，采用毫米波网络构建移动通信可以满足未来十年甚至数十年人们对通信的需求。
　　5G毫米波通信部署难点与待解决问题
　　现在的5G毫米波的推广和部署为什么困难重重呢？了解到我国优先部署技术方案相对成熟和具有产业自主基础的Sub-6G网络，毫米波部署网络虽然已经开始发放商用牌照，但是进展相对较为缓慢；毫米波元器件产业相对较为发达的欧美、日韩已经开始规模化毫米波网络，但相对比重不到5G部署总量的1/2。由此不难推测，5G毫米波网络部署中面临着难题，即现已部署的毫米波网络跟理想中的毫米波网络具有显著的差距或在使用体验上需要做出巨大的改善。
　　我们简单的分析一下现在部署的毫米波网络的大致情况：5G毫米波移动终端主要采用高通公司的5G套片方案，业界主要的其他几家通信设备公司相继推出了支持毫米波通信的基带芯片，但是在毫米波通信终端AIP模块上还在继续改进和优化，努力探索新方案；在5G基站领域，世界各大公司都推出了商用的毫米波基站方案，大多采用了256～1024相控阵单元的有源天线阵列，而支持毫米波链路的射频元器件多采用Si CMOS和GeSi BiCMOS器件工艺制作，具备典型的射频、数模混合集成电路的特点。基于Si CMOS或GeSi BiCMOS的毫米波芯片在射频（毫米波频段）性能至关重要的几个参数上，相对化合物基毫米波芯片不占据优势：例如接收链路的噪声系数和线性动态范围、发射链路的输出功率和效率以及频率源的相位噪声等（毫米波链路示意图如图.2）。
　　图.2 5G毫米波链路辐射示意图
　　在无线通信中，可以用几个关键的参数指标来衡量通信设备的硬件性能：信号辐射范围、信道误码率、信号链接稳定性。（如图.1）信号辐射范围或信号辐射距离由信号的发射端发射功率以及接收端链路的接收灵敏度和路径传播损耗共同决定。举一个简单的例子来说明：在传输距离不变、发射端和接收端天线增益不变的前提下，接收链路的噪声系数降低3 dB,相应的发射端发射功率可以降低约3 dB。假设基站发射天线的能耗效率不变，采用化合物芯片的终端可使基站发射天线降低约一半的功耗。由此计算出数百万或数千万的基站部署数量时，能耗降低一半这种优势表现为显著的利于节能和降低对电力能源的需求，基站设备的供电设备和设备的成本压力也将极大的改善。目前，行业各大公司提供的Si CMOS或GeSi BiCMOS的毫米波芯片单通道输出功率为10～20 dBm，接收噪声4.5～6.5dB,（在TR集成下，Si/GeSi基芯片发射与接收性能难以兼顾，）大多采用256～1024单元阵列规模，毫米波通信基站有源阵列天线性能的提高需更大规模数量的芯片和天线单元，实际表现为设备性能提升比率将逐步降低，而成本提升比率将逐步提高。同时，大尺寸天线或AAU设备在部署和维护的成本相对较高，由此引起的外观美化、设备稳定度都有所下降。
　　另外，采用Si/GeSi基毫米波芯片的毫米波基站天线阵列需要数百个天线阵子，以便得到较高的阵列天线增益；但从另一个角度看，这种规模的天线阵列的辐射波束角较为狭窄，在基站部署辐射范围约50-300米的辐射范围内，每一个波束覆盖的有效区域非常小，基站与用户的相互确认过程（波束对准和身份识别）需要耗费较大的时间，相应的链接稳定性将随着用户的移动速率的提高迅速变差，毫米波通信的速率优势难以发挥。
　　如果毫米波芯片能够提高发射功率和降低接收噪声系数，毫米波基站的辐射效率和基站与用户的链接稳定性将会得到极大的改善，同时有利于降低能耗。
　　代表着高性能的GaAs/GaN毫米波芯片的性能几乎可以接近理想的满足设备的性能期望值，但是现有行业的化合物基毫米波芯片的尺寸与成本是行业认为的难以接收的门槛。例如，一个完整的支持波束赋性的收发前端（包括：收发开关、功率放大器、低噪声放大器、幅相控制器），如果采用Si CMOS 或GeSi BiCMOS的工艺，大概尺寸可以做到1.5～5.0 mm²,而采用化合物工艺的尺寸大约在8～30 mm²（在此，我们先忽略尺寸与性能的关系）；另外，Si CMOS或GeSi BiCMOS的功能集成度相对化合物工艺有着显著的优势；再者，单位成本角度看，化合物芯片的单位成本是Si或GeSi的数倍。从毫米波天线阵列的角度看，如果我们简单的进行一下思考：一个收发链路对应一个天线单元，那么毫米波芯片必须满足毫米波阵列天线中天线间距的要求。以5G通信采用的中心频率26GHz的频段为例，半波长的天线间距大约为5.5um,现有的商用化合物芯片在尺寸上很难满足或满足不了（瓦片式方案）要求。综合的看，目前业界普遍将毫米波通信所采用的元器件的突破或选型方案放在Si或GeSi 工艺的芯片方案上，体现了行业中先做出来后优化的思路，多数的毫米波芯片都不断寻求优化方案。但从本质上来讲，半导体材料决定了对应毫米波芯片性能的上限，电路上能提升性能但较为有限。
　　从现实角度看，行业倾向选择了现有较为可行的Si或GeSi基工艺方案作为主流商用方案，即主流基站方案选择了性能较为优异的GeSi基BiCMOS工艺路线，移动终端选择了Si基CMOS工艺路线。不过非常可惜的是，已部署的5G毫米波网络目前体验感需要提升、部署成本需要降低，经济效益较Sub-6G方案没有体现理论上应该具备的优势。如果选择Si或GeSi基方案继续前行，将在使用体验上充满阻力，在经济效益指标上面临压力。
　　晶准通信在5G毫米波GaAs基MMIC上的
　　突破与性能优势
　　晶准通信的团队基于多年的MMIC设计经验积累以及来自设备商和运营商对毫米波芯片的期望，经历约多年的积极探索研究，提出了兼顾性能、成本以及具备现实产业基础的异构芯片方案：即化合物基电路实现完整的射频链路，Si基电路实现控制与能源管理功能。这种方案可以完全基于现有的产业基础，降低了中高端工艺的需求，可以满足部署毫米波网络的极大规模需求。晶准通信的第一次流片就较为成功的验证了新方案路线的MMIC产品可行性，并向行业伙伴和潜在用户送样。
　　晶准通信向业界报告的毫米波MMIC产品进展：包括TR MMIC（如图.1）、双通道PA MMIC（如图.3）、LNA MMIC（如图.4）等毫米波MMIC芯片。
　　以TR集成毫米波前端芯片（如图.2）为案列进行分别功能模块介绍，主要包括4个模块：发射链路功率放大器PA、高功率非对称开关HP_SPDT、接收链路低噪声放大器LNA、集成小尺寸开关LP_SPDT。几种毫米波功能模块在毫米波相控阵系统中占据至关重要的角色，并占据最大的尺寸比重，每一种功能都影响毫米波多通道芯片的成本、性能以及使用便捷性。
　　基于产品验证和业界需求，结合TR芯片中的PA功能模块构架了一种双通道PA（如图.3）。
　　图.3 晶准通信24-28 GHz双通道PA以及输出功率测量结果
　　图.3右侧简介了双通道PA MMIC的照片和输出功率，在24-28 GHz的整个带宽里输出功率大于25 dBm,增益大约10-15 dB，且较为平坦。我们还测试了P-1与P-3的差别，相差不到0.3 dB，显示该PA具有优秀的线性特性。该PA（2级）直流偏置不到80mA，在多通道集成芯片中完全满足系统散热指标要求（散热指标限制值由设备商伙伴提供，为定义PA或TR的输出功率提供了设计依据）；核心电路尺寸不到0.35mm²,功率密度达到约1W/mm² 。在产业界和学术界的报道中，该双通道PA输出功率密度处于最高功率密度水平，几乎和GaN基商用毫米波PA MMIC的功率密度持平。
　　图.3所示双通道PA可以用于5G毫米波（n258）系统的发射链路，或24GHz雷达系统的发射链路的前置PA。
　　图.4 晶准通信24-28 GHz LNA以及噪声系数测量结果
　　图.4简介了3级LNA MMIC（与图.1中TR芯片中LNA相同）的照片和测量噪声系数，在24-28 GHz的整个带宽里接收噪声系数约不到2dB,增益大约20 dB，且较为平坦。该LNA MMIC输出P-1大于10 dBm；核心电路尺寸不到0.30 mm²。在产业界和学术界的报道中，是同等性能和功能前提条件下最小化合物基LNA尺寸（同等性能下），几乎是现有同功能商用产品尺寸的1/4以下。
　　图.4所示LNA MMIC可以用于5G毫米波（n258）系统的接收链路，或24GHz雷达系统的接收链路前置LNA。
　　图.5 晶准通信24-28 GHz HP_SPDT插入损耗测量结果
　　图.5简介了射频前端的前置开关HP_SPDT（由于尺寸太小，不方便独立成产品）的插入损耗测量结果，为了满足PA的输出功率线性度要求和LNA的低噪声以及隔离要求，该开关采用了全新的设计，核心尺寸不到0.15 mm²，发射链路损耗小于0.8 dB, 接收链路损耗约1.2 dB,隔离度大于25 dBc。在产业界和学术界的报道中，该开关是同等性能下为行业最小尺寸。
　　图.6 晶准通信24-28 GHz LP_SPDT插入损耗测量结果
　　图.6简介了射频前端的小尺寸开关LP_SPDT（由于尺寸太小，不方便独立成产品）的插入损耗测量结果，核心尺寸不到0.02 mm²，插入损耗约1.5 dB，该开关输入P-1大于10 dBm,隔离度大于20 dBc，用于收发链路信号切换。在产业界和学术界的报道中，该开关占用芯片尺寸是所有毫米波开关中的最小尺寸水平。
　　综合上述，晶准通信实现了基于GaAs工艺的高度的集成度验证，并验证了高度集成设计下的芯片产品性能。在TR集成芯片中，可表现为发射输出功率大于24 dBm, 接收噪声系数约3 dB,核心部分尺寸低于1 mm², 在业界展示出最高的单位尺寸功能集成度和单位功能性能集成度。与行业中的同功能类型或同应用类型的Si/GeSi基毫米波芯片相比，发射输出功率相对行业Si/GeSi主流芯片产品的发射输出功率有4～10 dB的提升，接收噪声有2～3 dB的性能提升,而芯片核心尺寸低于大部分Si/GeSi TR（同功能部分）芯片的尺寸，打破了业界关于GaAs毫米波芯片难以满足毫米波相控阵天线间距的认知限制，并做到了完全超越Si基毫米波TR芯片的射频功能和性能集成密度。
　　晶准通信将向5G通信设备商伙伴提供集成4通道、8通道（支持双极化）的5G毫米波MMIC芯片或AIP模组（如图.7所示）。预期8通道芯片JC1101（如图.7所示）尺寸约5*6 mm²,输出功率P-1大于24 dBm,接收噪声系数小于3dB，支持双极化和波束独立赋形。
　　图.7 8通道芯片JC1101芯片架构与以及TR芯片被集成示意图
　　晶准通信5G 毫米波GaAs 基芯片的应用优势
　　为了更直观的分析晶准通信异构方案在5G毫米波部署网络中体现的积极意义，在关于毫米波通信的两个维度进行了对比分析：一个是通信链路（上行链路与下行链路）中的性能收益（如图.8所示）；另一个是5G毫米波网络部署的经济效益（如图.9所示）。
　　对比分析选择了行业中输出功率能力最高的GeSi BiCMOS毫米波产品（某公司4通道波束赋形芯片：输出功率20 dBm）来构建基站设备，同时参考较为优秀的Si CMOS芯片构建终端AIP，共同构成业界典型的部署案列，为组合1；基于晶准通信已获得产品（验证）性能用于构建组合2。（本文对所述参考对象的产品来自学术界相关论文（与产品相关联），数据如有错误，欢迎指正修改。）组合1与组合2的对比分析结果和毫米波链路性能收益如图.8所示，可见，基于组合2方案部署的毫米波信号链路在通信上行链路和下行链路都取得优异性能提升，大大提升了毫米波网络部署的经济效益。
　　图.8 不同方案的5G毫米波通信链路的性能对比
　　在构建用于5G毫米波通信的单极化相控阵天线中，对于辐射EIRP为64 dBm (P-1)的基站天线设备，仅需要晶准通信的TR芯片约64通道，在大规模量产下，相应的裸片生产成本低于1000元，低于同样性能（EIRP辐射值）下Si/GeSi基工艺的裸片总成本；在基站设备的其他部分，有效天线面积可以缩小至25%（相对Si基毫米波方案基站），波束算法成本、电源管理成本、电力能耗也将显著的降低。如图.9所示，晶准通信的芯片将极大的有利于毫米波信号覆盖的改善和链接稳定性。从产业基础、最佳能源效率、最小部署难度、部署成本等角度看，晶准通信的异构毫米波芯片方案将成为更为优异的选择，在此不进行详细描述。
　　图.9 晶准通信毫米波芯片方案具有的潜在经济效益
　　综合上述，晶准通信在毫米波MMIC芯片的产品突破将极大的降低5G毫米波基站的成本，为毫米波移动通信网络的部署提供具有显著经济效益，利于5G 毫米波通信的应用领域的拓展和大规模部署。在可预见的将来，毫米波通信的每比特硬件成本和每比特能耗将降低至现有已部署网络的1/100以下，并将远低于Sub-6方案。
　　晶准通信在毫米波感知领域布局的新方案
　　随着汽车电动化、智能化浪潮的推进，提供安全保障的感知层作为核心模块，受到了行业的关注。其中，核心感知元器件之一毫米波雷达迎来高速增长周期，市场超过300亿元人民币。晶准通信为满足毫米波雷达的高速发展和性能需求，积极提出了全集成的76-81 GHz（兼顾77 GHz和79 GHz应用）多通道集成雷达芯片、92-96 GHz（高精度感知和测量应用）多通道集成雷达芯片以及24 GHz（无人机前置雷达和智慧道路应用）多通道集成雷达芯片等芯片方案，有望在不久的将来向业界的伙伴提供MMIC产品。以下简单介绍晶准通信E波段JC1501（晶准通信定义的产品型号）雷达芯片方案的特点和优势。
　　图.10 晶准通信E波段JC1501毫米波雷达芯片方案示意图
　　晶准通信即将推出的JC1501（如图.10所示） E波段芯片方案集成4个发射通道和4个接收通道以及可重构模块，单通道发射功率P-1大于20 dBm，接收噪声系数约5～6 dB;可重构模块可以为用户提供多种硬件配置，实现近距雷达、中远距距雷达的硬件的灵活构建和瞬态切换。JC1501发射链路支持模拟波束赋形，接收链路支持数字波束赋形，其中多颗JC1501可以构建大规模阵列，实现更远距离辐射功能和并行多功能雷达功能。JC1501内部集成多个滤波器，有效抑制了中频、接收射频以及本振信号的干扰，以及提高了相关信号的谐波抑制度，使JC1501预期可以得到较为优异的信号频谱纯净度，这一特性在雷达应用中非常重要。JC1501还可支持不同温度下幅度自补偿和幅相数字补偿。在由多颗JC1501芯片构建的大规模阵列中，可实现多功能、多波束、4D成像等高性能多功能雷达。为了满足毫米波感知的各种应用场景，采用了可配置信号链路方案，该方案可满足毫米波不同测距、多种应用场景。
　　JC1501在用户选择合适的MCU搭配下（如图.11所示），可以开发车载感知或智能驾驶、场景检测、高灵敏感知等应用设备。业界已通过车规认证的MCU种类都已比较可观，这将为JC1501在车载雷达领域的发展奠定有利基础。JC1501的封装尺寸约为6*6.4 mm²,预期成本趋近于现有业界Si/GeSi 基工艺的类似功能的毫米波芯片的成本，但可以为用户的设备提升数倍的射频性能。由于JC1501的毫米波链路独立于雷达算法部件，因此，无论雷达算法需要多大的算力以至于要求算力硬件（MCU）不断提升性能，JC1501将可以继续不变。JC1501优异的性能可以适配毫米波雷达不断发展的技术，在宽广的应用领域和雷达更新换代中维持量产交付，这一特点将显著的利于JC1501成本控制和质量管理。JC1501在76-81GHz雷达领域可实现一芯走天下，一芯＂树长青＂。
　　图.11 JC1501搭配MCU构建毫米波雷达的应用方案
　　毫米波汽车雷达在电动化和智能驾驶的发展潮流下，正朝着更高测量精度、测量距离和多目标成像等目标发展。JC1501相对现有商用毫米波产品有着明显的射频性能优势，对比结果如表.1所示, JC1501收发链路的信噪比提升超过12 dB以上,理论上有助于雷达实现辐射距离提升一倍。JC1501可构建瞬态切换功能的雷达，可以支持同时探测辐射方向的微距、近距、中长距，是性能较为全面的汽车感知部件。目前业界的汽车前置中长距雷达普遍为150-250 m，采用JC1501芯片（JC1501多芯片组）的雷达有望实现提升一倍以上的探测距离，这一突破有利于汽车雷达在恶劣的天气下还可以保持优异的雷达探测效果，或者有助于汽车雷达识别路面平坦精度或路面上的不利于行车安全的更小尺寸的异物。毫米波MMIC性能的提升有助于汽车行驶安全，进一步有助于高级别智能驾驶进入人们的生活。JC1501有望在未来十年中展现性能优势，引领毫米波雷达领域的技术新趋势。
　　表.1 晶准通信E波段毫米波雷达芯片对比优势
　　深圳市晶准通信技术有限公司简介
　　晶准通信工程技术团队来自学界和产业界，且全部成员均为本土培养，科研领域和工程经验覆盖半导体器件与工艺、数模混合和毫米波芯片设计、通信基带芯片和设备等领域，已经在毫米波MMIC、系统架构等领域建立足够的技术储备，可以支撑晶准通信在毫米波通信和毫米波感知领域走的健康且长久。
　　晶准通信基于毫米波MMIC产品研制需要，自主建设了晶准通信第一实验室，目前基本满足MMIC产品微组装和测试要求，实验室支持最高110 GHz芯片（裸芯片）测量。在实验室建设中，晶准通信团队改进了和发明了部分实验室设备，以便高效率高品质完成产品研发。另外，已经启动MMIC专用量产测试系统和方案的构建工作。
　　图.12 晶准通信第一实验室所具备的产品研制能力
　　晶准通信非常希望得到学界、产业界和金融界伙伴的支持、加盟，我们也将尽心尽力为伙伴回报我们工作的价值，也非常乐于同产业同行、伙伴交流和互动，一起推动毫米波通信和毫米波感知的技术进步和领域发展。晶准通信愿意就5G毫米波芯片方案和部署方案、以及雷达感知等领域与行业伙伴建立商业合作和产业协同关系，欢迎我们的伙伴提出技术要求或产品期望，我们将竭尽全力为您努力工作。
　　中国工程科技知识中心（以下简称＂知识中心＂）是经国家批准建设的国家工程科技领域公益性、开放式的知识资源集成和服务平台建设项目，是国家信息化建设的重要组成部分。
　　知识中心建设以满足国家经济科技发展需要为总体目标，通过汇聚和整合我国工程科技相关领域的数据资源，以资源为基础、以技术为支撑、以专家为骨干、以需求为牵引，建立集中管理、分布运维的知识中心服务平台。
　　知识中心以为国家工程科技领域重大决策、重大工程科技活动、企业创新与人才培养提供信息支撑和知识服务为宗旨，最终建设成为国际先进、国内领先、具有广泛影响力的工程科技领域信息汇聚中心、数据挖掘中心和知识服务中心。
　　中国工程科技知识中心为方便读者组建了社群想进群请添加微信：xpcztym