5G 半导体的关键是波束成形和毫米波天线

毫米波芯片是5G半导体的关键

美国公司高通在5G领域处于领先地位。传统通信方式与5G的主要区别在于，它使用所谓的毫米波（波长为10毫米至1毫米、频率为30 GHz至300 GHz的电磁波），其波长为10毫米或更小。我从未使用过如此高频率的无线电波。 4G中800MHz、900MHz是主流，最多15GHz。

包括智能手机在内的手机的基本电路框图如图1所示。接收信号时，信号从天线通过RF（高频）电路发送到降低频率的IF电路，然后由基带电路解调并转换为数字。发射时，信号通过调制电路从数字电路转换为模拟信号，然后射频电路提高频率，功率放大器放大信号，增加其幅度，并从天线以无线电波的形式发送信号。所有这些电路都使用半导体芯片。例如，用于传输的功率放大器使用GaN^*1将用于基站。

【图1】手机基本电路框图
插图创作者：Kio Macabea

从2G到4G，调制/解调电路（调制解调器）^*2) 经历了各种变化。 2G标准在世界各地兴起，但3G缩小为两个系统：W-CDMA（码分多址）和CDMA-2000，4G是OFDM（正交分频复用）。^*3）。即使有了5G，调制解调器仍将使用OFDM，而用于数据传输的调制技术将是QAM，这是4G的延伸。然而，数据速率为16QAM（正交幅度调制^*4) 将演进至 64QAM 或 256QAM。

3G时代，所有手机厂商都不得不采用CDMA技术，而掌握CDMA技术基础专利的高通公司，享有近乎垄断的地位。到了4G，高通拥有最多的OFDM技术专利，但由于没有基础专利，它不再像3G时代那样拥有销售垄断地位。然而，他们比任何人都更清楚毫米波技术在射频电路中的重要性，这种技术将随着 5G 的发展而发生重大变化，并且是最早开发从天线到射频电路等各种芯片的公司之一。

高通在过去四到五年里一直在试验 5G，与世界各地的电信运营商和仪器制造商（包括 NTT Docomo、芬兰诺基亚和瑞典爱立信）合作，利用毫米波实现超过 20Gbps 的数据速率。最初是基于基站进行实验，但我们也在西班牙巴塞罗那举行的世界移动通信大会（MWC）上进行了对毫米波很重要的波束成形、波束跟踪等技术的演示实验和演示。

[图2]世界移动通信大会
图片显示了巴塞罗那 Fira（西班牙巴塞罗那）的外观，这是世界上最大的手机相关展览之一。
照片：津田健二

美国和台湾开发的5G调制解调器芯片

2019 年 7 月，高通宣布推出包含调制解调器和毫米波电路的 5G 解决方案（图 3）。 5G调制解调器将是4G的延伸，将采用OFDM接入方式演进，但射频电路将采用与之前完全不同的毫米波技术，因此掌握毫米波技术的公司将是赢家。对于毫米波，天线设计发生了显着变化。这是因为天线的尺寸约为毫米。因此，新的 5G 解决方案还包括天线模块^{参考资料1}。

[图3]从调制解调器到天线的高通5G芯片组
来源：Qualcomm 新闻稿 (2019/09/06) Qualcomm 通过调制解调器-射频系统推动 5G 范式转变和全球 5G 支持

在讲解高通的芯片之前，我们先简单介绍一下5G基带调制解调器芯片。中国华为技术有限公司的半导体专业子公司海思半导体、台湾联发科甚至韩国三星也在开发5G调制解调器芯片。然而，高通是目前唯一一家实现从天线到射频电路等所有产品商业化的公司。

中国海思从2010年左右开始自主研发调制解调器。因此，它几乎与高通同时发布了针对5G的调制解调器产品。该公司还实现了带有集成调制解调器的应用处理器的商业化^{参考资料2}。

台湾联发科也发布了应用处理器^{参考资料3}它可以支持 2G 至 5G 调制解调器，覆盖高达 47Gbps 的下行链路。毫米波技术和发射功率器件将于2020年发布。

三星也开发了自己的调制解调器^*4并支持 sub-6GHz 和毫米波。与其他公司一样，全面覆盖2G、3G、4G、5G。

高通在5G调制解调器芯片领域处于领先地位的产品也支持毫米波规范，并且频段均为800MHz，覆盖8个载频，并具有2×2 MIMO（多输入多输出）天线^*5兼容

天线也是毫米波的关键

目前，高通公司垄断了从天线到射频电路的所有领域。

高通于2019年9月上旬在德国柏林举行的IFA（国际消费电子展）上发布了毫米波天线模块（图4）^{参考资料4}该天线模块支持波束成形^*6，第一个能够进行波束控制和波束跟踪的芯片。

【图4】高通毫米波天线模块QTM527，全球首发出货
来源：高通新闻稿 (2019/09/06) 高通宣布推出全球首款用于 5G 固定无线接入的全集成扩展范围毫米波解决方案

但是，该天线模块不适用于智能手机，而是用于基站、小型基站或客户端设备（CPE：Customer Premises Equipment），即所谓的固定站芯片。发射的无线电波的输出对应于功率等级1级别（输出100mW，范围100m）。

该芯片集成了称为5G NR（新闻广播）的5G规格收发器（发送/接收电路），以及电源电路、射频前端电路和相控阵天线。相控阵天线由大量排列成平面矩阵的小天线元件组成，通过改变每个元件的相位，可以定向无线电波发射和接收的方向，用于波束形成和波束控制。波束控制是根据您想要发送和接收的无线电波的方向生成最大方向性的过程。波束跟踪是一种从基站引导无线电波的技术，同时跟踪与您通话的人。如果对方移动，无线电波的方向也会移动以匹配对方，因此通话不会中断。

顺便说一句，毫米波波束形成技术包括模拟和数字方法。如本系列第 2 部分所述，模拟方法是一种在逐渐改变从大量天线元件发送和接收的无线电波的相位和幅度的同时对准无线电波方向的技术。实际的手机技术采用数字控制和计算，因此在传输数据时，例如DA转换器将数字数据转换为模拟数据，移动信号的幅度和相位，然后从天线发送出去。在这种情况下，使用射频电路将模拟信号分为多个信号路径，并且每个路径中的信号的相位和幅度略有偏移，从而将发射的光束对准用户的方向。

换句话说，在包括智能手机在内的手机中，手机内部是数字的，只有发射和接收部分是模拟的，因此用于D-A转换器和A-D转换器的半导体芯片是必不可少的。 Analog Devices是一家专门生产D-A/A-D转换器的美国公司，它在其网站上发布了一份白皮书，解释了毫米波波束成形技术。^{参考资料5}。

根据本白皮书，在数字方法中，相移操作纯粹在数字电路内执行，数字数据通过发射器/接收器电路发送到天线阵列（图5）。简单来说，每个无线电发射器/接收器电路都一一连接到天线。然而，实际上，根据所需的波束形状，一个无线电电路可以使用多个天线。数字方法可以最大限度地提高容量和灵活性，为多用户 MIMO（甚至在毫米波频率下）铺平道路。然而，数字系统极其复杂，尝试使用当前可用的技术来实现它们会在射频和数字电路中消耗极其大量的功率。

[图5]三种波束成形方法
(a) 模拟方法，(b) 数字方法，(c) 结合了最佳特性的混合方法【在数字电路内处理移相技术
来源：ADI 白皮书

这个想法是使用一种混合方法，结合了数字和模拟的最佳方面。通过数字预编码和模拟波束成形的结合，可以在空间上同时产生多个波束，或者说可以实现空间复用。通过将窄波束指向多个用户，基站可以在一定时间内同时向多个用户重复使用相同的频谱。

用于波束成形的半导体芯片尚未在移动电话系统中使用。高通的芯片仍处于评估样品的过程中。此外，Analog Devices 的波束成形 IC^{参考资料6}集成了可以选择频率从24GHz到295GHz的16个通道的发射器和接收器电路，以及控制相位的调制电路（调制器）和控制幅度的可变增益放大器。

东京工业大学 Kenichi Okada 教授的团队正在开发适用于 39GHz 频段的模拟波束成形收发器（图 6）和天线模块，据说这是下一代 5G。^{参考资料7}采用65nm工艺制造的芯片集成了四个发射器和接收器，因此安装了16个芯片并连接到64个天线元件。该成果于2019年6月在美国波士顿举行的IEEE RFIC（射频集成电路）研讨会上发表，冈田实验室的一名学生获得了最佳学生奖。

[图6]采用65nm工艺制造的39GHz毫米波波束成形发射器/接收器芯片
64个发射器和接收器处理64个天线元件阵列。
来源：东京工业大学冈田健一教授

这款CMOS半导体芯片采用65纳米规则，采用合理的制造工艺制造，并与已开始专注于5G无线通信设备市场的NEC联合开发。这也是一家生产和销售通信设备的公司与一家负责5G芯片研发的大学之间成功产学合作的例子。到目前为止，日本制造商在全球 4G 和 LTE 市场上的影响力并不强，但 NEC 的目标是通过 5G 卷土重来。

富士通还计划设计和制造 5G 通信设备，但日本企业在全球市场上展示其影响力的程度可能会成为日本电子行业未来方向的指南。

作家

津田健二（津田健二）

国际科技记者和技术分析师。

目前是英语和日语的自由科技记者。

利用他在半导体行业 30 年的经验，他通过博客 (newsandchipscom) 和分析文章为半导体行业提供了各种建议。在担任 Semicon Portal (wwwsemiconportalcom) 主编的同时，他还担任 MyNavi 新闻系列“汽车电子”的专栏作家。

从事半导体器件的开发工作后，他在 Nikkei McGraw-Hill（现为 Nikkei BP）担任 Nikkei Electronics 的记者。此后，他陆续出版了《Nikkei Microdevices》、英文杂志《Nikkei Electronics Asia》、《Electronic Business Japan》、《Design News Japan》、《Semiconductor International Japan Edition》。 2007年6月成为独立国际科技记者。他的出版物包括《半导体大趋势2014-2025》（日经BP社出版）、《如果你不知道就危险了！》半导体，不要放弃这个不断发展的产业》、《欧洲无晶圆厂半导体产业的真相》（均由日刊工业新闻社出版）和《2011年绿色半导体技术和新业务的最新趋势》（由Impress出版）。

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