5G毫米波前端MMIC的新突破與應用優勢

5G通信已經成為人們生活的一部分，其中具備高速率、高容量、低延時的5G毫米波逐漸成為關注的重點，基站側和終端側的設備（圖1）蘊含了巨大的毫米波前端芯片市場，引起了業界廣泛的布局和投入。業界為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，呈現百花齊放、各家爭鳴的特點。盡管如此，5G毫米波部署因為應用體驗差、經濟效益低而阻力重重，行業急需一種性能全面優異且成本實惠的芯片方案和部署方案來解決5G毫米波通信的基礎芯片難題，以便5G毫米波通信產生更好的經濟效益，更好地滿足人們的預期。

圖1 5G毫米波鏈路設備和輻射鏈路示意圖

5G毫米波前端MMIC芯片新突破

深圳市晶準通信技術有限公司面向5G毫米波通信應用，在5G毫米波MMIC進行了理論探索和產品研制，提出了兼顧性能、成本以及具備現實產業基礎的GaAs基異構芯片方案，即化合物基電路實現完整的射頻鏈路，Si基電路實現控制與能源管理功能。晶準通信成功實現了GaAs基工藝的最佳單位面積功能集成度和最佳性能集成度，這一標志性突破將極大地降低面向5G毫米波通信和毫米波雷達的化合物基毫米波芯片成本以及尺寸，具有巨大的潛在經濟效益。

晶準通信的第一次流片就較為成功地驗證了新方案路線的MMIC產品可行性，并向行業伙伴和潛在用戶送樣。目前所完成驗證的產品包括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（HP_SPDT）、毫米波小尺寸開關（LP_SPDT）等，其中5G毫米波TR前端芯片的尺寸為行業同功能GaAs TR MMIC的1/4以下。晶準通信將5G毫米波相關的產品功能的尺寸降低至現有市場商用產品尺寸的1/10-1/4，將成本做到接近Si/SiGe基毫米波芯片的成本，同時保持數倍于Si/SiGe基毫米波芯片的性能，打破了GaAs在MMIC應用以來數十年功能集成度和性能集成度難以提升的行業瓶頸，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域展現出絕對的優勢。

圖2 晶準通信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）為例分別進行功能模塊介紹，主要包括4個模塊：發射鏈路功率放大器PA（圖3）、高功率非對稱開關HP_SPDT、接收鏈路低噪聲放大器LNA（圖4）、集成小尺寸開關LP_SPDT。幾種毫米波功能模塊在毫米波相控陣系統中占據至關重要的角色，并占據最大的尺寸比重，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。

基于產品驗證和業界需求，結合TR芯片中的PA功能模塊構建了一種雙通道PA（圖3）。

圖3 晶準通信24-28GHz雙通道PA以及輸出功率測量結果

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PA具有優秀的線性特性。該PA（2級）直流偏置不到80mA，在多通道集成芯片中完全滿足系統散熱要求；核心電路尺寸不到0.35mm2，功率密度達到約1W/mm2。在產業界和學術界的報道中，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）系統的發射鏈路，或24GHz雷達系統的發射鏈路的前置PA。

圖4 晶準通信24-28GHz LNA以及噪聲系數測量結果

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，在24-28GHz的整個帶寬里接收噪聲系數約不到2dB，增益大約20dB，輸出P-1大于10dBm；核心電路尺寸不到0.30mm2。在產業界和學術界的報道中，在同等性能和功能前提條件下，該LNA MMIC的尺寸是現有商用產品尺寸的1/4以下。

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

圖5 晶準通信24-28GHz HP_SPDT插入損耗測量結果

圖5顯示了射頻前端的前置開關HP_SPDT（由于尺寸太小，不方便獨立成產品）的插入損耗測量結果，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，該開關采用了全新的設計，核心尺寸不到0.15mm2，發射鏈路損耗小于0.8dB，接收鏈路損耗約1.2dB，隔離度大于25dBc。在產業界和學術界的報道中，該開關為同等性能下最小尺寸。

圖6 晶準通信24-28GHz LP_SPDT插入損耗測量結果

圖6顯示了射頻前端的小尺寸開關LP_SPDT（由于尺寸太小，不方便獨立成產品）的插入損耗測量結果，核心尺寸不到0.02mm2，插入損耗約1.5dB，該開關輸入P-1大于10dBm，隔離度大于20dBc，用于收發鏈路信號切換。在產業界和學術界的報道中，該開關占用芯片尺寸幾乎是所有毫米波開關中最小的。

綜合上述，晶準通信實現了基于GaAs工藝的高集成度驗證，并驗證了高度集成設計下的芯片產品性能。在TR集成芯片中，可表現為發射輸出功率大于24dBm，接收噪聲系數約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。與行業中的同功能類型或同應用類型的Si/SiGe基毫米波芯片相比，發射輸出功率相對行業Si/SiGe主流芯片產品有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，打破了業界關于GaAs毫米波芯片難以滿足毫米波相控陣天線間距的認知，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。

晶準通信將向5G通信設備商伙伴提供集成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，接收噪聲系數小于3dB，支持雙極化和獨立波束賦形。

圖7 8通道芯片JC1101芯片架構與以及TR芯片被集成示意圖

晶準通信5G毫米波前端芯片的應用優勢

為了更直觀地分析晶準通信異構方案在5G毫米波網絡部署中的積極意義，從毫米波通信的兩個維度進行了對比分析：一個是通信鏈路（上行鏈路與下行鏈路）中的性能收益（圖8）；另一個是5G毫米波網絡部署的經濟效益（圖9）。

圖8 不同方案的5G毫米波通信鏈路的性能對比

圖9 晶準通信毫米波芯片方案具有的潛在經濟效益

對比分析選擇了行業中輸出功率能力最高的SiGe BiCMOS毫米波產品（某公司4通道波束賦形芯片：輸出功率20dBm）來構建基站設備，同時參考較為優秀的Si CMOS芯片構建終端AiP，共同構成業界典型的部署案列，為組合1；（本文引用的產品來自學術界相關論文（與產品相關聯），數據如有錯誤，歡迎指正修改。）基于晶準通信已獲得性能驗證的產品構建組合2。組合1與組合2的對比分析結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異的性能提升，大大提升了毫米波網絡部署的經濟效益。

在構建用于5G毫米波通信的單極化相控陣天線時，對于輻射EIRP為64dBm (P-1)的基站天線設備，僅需要晶準通信TR芯片約64通道（對應JC1101芯片約16顆），在大規模量產下，相應的裸片生產成本低于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定性。

如圖9所示，從產業基礎、最佳能源效率、最小部署難度、部署成本等角度看，晶準通信的芯片方案將成為更為優異的選擇。

綜上所述，晶準通信在毫米波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絡的部署提供顯著的經濟效益，利于5G毫米波通信的應用領域的拓展和大規模部署。在可預見的將來，毫米波通信的每比特硬件成本和每比特能耗將降低至現有已部署網絡的1/100以下，并將遠低于Sub-6GHz方案。

審核編輯 ：李倩