5G毫米波前端MMIC芯片新突破

        5G通信已经成为人们生活的一部分，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，基站侧和终端侧的设备（图1）蕴含了巨大的毫米波前端芯片市场，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/SiGe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。尽管如此，5G毫米波部署因为应用体验差、经济效益低而阻力重重，行业急需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，更好地满足人们的预期。

图1 5G毫米波链路设备和辐射链路示意图

        深圳市晶准通信技术有限公司面向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，提出了兼顾性能、成本以及具备现实产业基础的GaAs基异构芯片方案，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。晶准通信成功实现了GaAs基工艺的最佳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地降低面向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。

        晶准通信的第一次流片就较为成功地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。目前所完成验证的产品包括5G毫米波TR前端芯片（图2）、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，将成本做到接近Si/SiGe基毫米波芯片的成本，同时保持数倍于Si/SiGe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/SiGe基毫米波芯片在普通商用领域展现出绝对的优势。

图2 晶准通信5G毫米波TR前端集成芯片（1.3mm^2）

        下面以TR集成毫米波前端芯片（图2）为例分别进行功能模块介绍，主要包括4个模块：发射链路功率放大器PA（图3）、高功率非对称开关HP_SPDT、接收链路低噪声放大器LNA（图4）、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功能模块构建了一种双通道PA（图3）。

图3 晶准通信24-28GHz双通道PA以及输出功率测量结果

        图3显示了双通道PA MMIC的照片和输出功率，在24-28GHz的整个带宽里输出功率大于25dBm，增益大约10-15dB，且较为平坦。我们还测试了P_-1与P_-3的差别，相差不到0.3dB，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要求；核心电路尺寸不到0.35mm^2，功率密度达到约1W/mm^2。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。

        该双通道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24-28GHz LNA以及噪声系数测量结果

        图4显示了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24-28GHz的整个带宽里接收噪声系数约不到2dB，增益大约20dB，输出P_-1大于10dBm；核心电路尺寸不到0.30mm^2。在产业界和学术界的报道中，在同等性能和功能前提条件下，该LNA MMIC的尺寸是现有商用产品尺寸的1/4以下。

        该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24-28GHz HP_SPDT插入损耗测量结果

        图5显示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0.15mm^2，发射链路损耗小于0.8dB，接收链路损耗约1.2dB，隔离度大于25dBc。在产业界和学术界的报道中，该开关为同等性能下最小尺寸。

图6 晶准通信24-28GHz LP_SPDT插入损耗测量结果

        图6显示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0.02mm^2，插入损耗约1.5dB，该开关输入P_-1大于10dBm，隔离度大于20dBc，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几乎是所有毫米波开关中最小的。

        综合上述，晶准通信实现了基于GaAs工艺的高集成度验证，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24dBm，接收噪声系数约3dB，核心部分尺寸低于1mm^2，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/SiGe基毫米波芯片相比，发射输出功率相对行业Si/SiGe主流芯片产品有4-10dB的提升，接收噪声有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，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（图7）。预期8通道芯片JC1101（图7）尺寸约5*6mm^2，输出功率P_-1大于24dBm，接收噪声系数小于3dB，支持双极化和独立波束赋形。

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毫米波前端芯片的应用优势

        为了更直观地分析晶准通信异构方案在5G毫米波网络部署中的积极意义，从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（图8）；另一个是5G毫米波网络部署的经济效益（图9）。

图8 不同方案的5G毫米波通信链路的性能对比

图9 晶准通信毫米波芯片方案具有的潜在经济效益

        对比分析选择了行业中输出功率能力最高的SiGe BiCMOS毫米波产品（某公司4通道波束赋形芯片：输出功率20dBm）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；（本文引用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。）基于晶准通信已获得性能验证的产品构建组合2。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的性能提升，大大提升了毫米波网络部署的经济效益。

        在构建用于5G毫米波通信的单极化相控阵天线时，对于辐射EIRP为64dBm (P_-1)的基站天线设备，仅需要晶准通信TR芯片约64通道（对应JC1101芯片约16颗），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/SiGe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基毫米波方案的基站），波束算法成本、电源管理成本、能耗也将显著降低。晶准通信的芯片方案将极大地有利于毫米波信号覆盖的改善和链路稳定性。

        如图9所示，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，晶准通信的芯片方案将成为更为优异的选择。

综合上述，晶准通信在毫米波MMIC芯片上的突破将极大地降低5G毫米波基站的成本，为毫米波移动通信网络的部署提供显著的经济效益，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-6GHz方案。