如何实现毫米波收发机芯片？ - 全文

根据国外媒体报道，澳大利亚运营商Optus日前宣布，已经与华为合作完成了5G网络测试。单用户下行速率超过35Gbps 。这次测试的主要目的是探索毫米波频率（高于30GHz）的频谱效率，也被认作是实现5G网络潜力的关键 。此次测试也是Optus母公司Singtel和华为之间的5G协作备忘录的一部分，并利用了诸如毫米波和极化编码等技术。

　　在毫米波频段中，28GHz频段和60GHz频段是最有希望使用在5G的两个频段。28GHz频段的可用频谱带宽可达1GHz，而60GHz频段每个信道的可用信号带宽则到了2GHz（整个9GHz的可用频谱分成了四个信道）。

　　相比而言，4G-LTE频段最高频率的载波在2GHz上下，而可用频谱带宽只有100MHz。因此，如果使用毫米波频段，频谱带宽轻轻松松就翻了10倍，传输速率也可得到巨大提升。5G时代，我们可以使用毫米波频段轻轻松松用手机5G在线看蓝光品质的电影，只要你不怕流量用完！

5G标志性能力指标为“Gbps用户体验速率”，一组关键技术包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构。

　　大规模天线阵列是提升系统频谱效率的最重要技术手段之一，对满足5G系统容量和速率需求将起到重要的支撑作用；超密集组网通过增加基站部署密度，可实现百倍量级的容量提升，是满足5G千倍容量增长需求的最主要手段之一；新型多址技术通过发送信号的叠加传输来提升系统的接入能力，可有效支撑5G网络千亿设备连接需求；全频谱接入技术通过有效利用各类频谱资源，可有效缓解5G网络对频谱资源的巨大需求；新型网络架构基于SDN、NFV和云计算等先进技术可实现以用户为中心的更灵活、智能、高效和开放的5G新型网络。

　　5G和4G最明显的区别是，前者不仅支持6GHz以下低频段，还能延伸到26.5～300GHz的毫米波频段。这一变化的意义是显而易见的，4G之前，带宽资源极其稀缺，增加频谱利用率几乎是提高传输速度的唯一选择，而5G利用毫米波则解决了带宽资源有限的后顾之忧。

　　毫米波这个频段，我们再谈论的就不是几十兆赫兹的带宽，它将会是几百兆、甚至千兆级的带宽。

　　各个频段可用频谱带宽比较

　　毫米波频段的另一个特性是在空气中衰减较大，且绕射能力较弱。手机使用的毫米波信号衰减确实比较大，但是同样地其他终端发射出的毫米波信号（对你而言是干扰信号）的衰减也很大，所以毫米波系统在设计的时候不用特别考虑如何处理干扰信号，只要不同的终端之间不要靠得太近就可以。

　　选择60GHz更是把这一点利用到了极致，因为60GHz正好是氧气的共振频率，因此60GHz的电磁波信号在空气中衰减非常快，从而可以完全避免不同终端之间的干扰。

　　当然，毫米波在空气中衰减非常大这一特点也注定了毫米波技术不太适合使用在室外手机终端和基站距离很远的场合。各大厂商对5G频段使用的规划是在户外开阔地带使用较传统的6GHz以下频段以保证信号覆盖率，而在室内则使用微型基站加上毫米波技术实现超高速数据传输。

　　毫米波相比于传统6GHz以下频段还有一个特点就是天线的物理尺寸可以比较小。这是因为天线的物理尺寸正比于波段的波长，而毫米波波段的波长远小于传统6GHz以下频段，相应的天线尺寸也比较小。

　　因此我们可以方便地在移动设备上配备毫米波的天线阵列，从而实现各种MIMO（MulTIple-Input MulTIple-Output，指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量）技术，包括波束成型。

　　毫米波收发机芯片如何实现

　　商用的毫米波收发机芯片会使用CMOS工艺，这一方面为了能够和数字模块集成，另一方面为了节省成本。毫米波收发机芯片的结构和传统频段收发机很相似，但是毫米波收发机有着独特的设计挑战。

　　其一是如何控制功耗。毫米波收发机要求CMOS器件能工作在毫米波频段，所以要求CMOS器件对信号的灵敏度很高。

　　另一个毫米波芯片必须考虑的问题是传输线效应。

　　我们可以把电路中的导线类比成绳子，而把电路中的信号源类比为对绳施力的人。当信号变化的频率很慢的时候，就近似地等于静力分析，此时导线上每一点的信号都近似地等于信号源的信号。当信号变化很快时，由于信号的波长接近或小于导线的长度，我们必须仔细考虑导线上每一点的情况，而且导线的性质（特征阻抗）会极大地影响信号的传播。

　　这种效应在电磁学中被称为“传输线效应”，在设计毫米波芯片时必须仔细考虑传输线效应才能确保芯片正常工作。

　　不过，尽管设计充满挑战，毫米波芯片大规模商用化目前已现曙光。Broadcom已经推出了60GHz的收发机芯片（BCM20138），该产品主要针对60GHz频段的WiFi标准（802.11.ad），也可以看作是为5G毫米波芯片解决方案投石问路。Qualcomm也于两年前不甘落后收购了专注于毫米波技术的Wilocity。同时，三星，华为海思等重量级选手也在加紧研发毫米波芯片。相信在近期我们就会看到毫米波射频芯片市场变得热闹非凡。