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。
特别说明的是，晶准通信的双通道毫米波PA（>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
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。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 双通道PA MMIC、LNA MMIC等毫米波MMIC芯片。
以TR集成毫米波前端芯片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。
双通道PA MMIC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。
以上内容均来自微信公众号-半导体行业观察
