如何實(shí)現(xiàn)毫米波收發(fā)機(jī)芯片？ - 全文

根據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，澳大利亞運(yùn)營(yíng)商O(píng)ptus日前宣布，已經(jīng)與華為合作完成了5G網(wǎng)絡(luò)測(cè)試。單用戶下行速率超過(guò)35Gbps 。這次測(cè)試的主要目的是探索毫米波頻率（高于30GHz）的頻譜效率，也被認(rèn)作是實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)潛力的關(guān)鍵 。此次測(cè)試也是Optus母公司Singtel和華為之間的5G協(xié)作備忘錄的一部分，并利用了諸如毫米波和極化編碼等技術(shù)。

　　在毫米波頻段中，28GHz頻段和60GHz頻段是最有希望使用在5G的兩個(gè)頻段。28GHz頻段的可用頻譜帶寬可達(dá)1GHz，而60GHz頻段每個(gè)信道的可用信號(hào)帶寬則到了2GHz（整個(gè)9GHz的可用頻譜分成了四個(gè)信道）。

　　相比而言，4G-LTE頻段最高頻率的載波在2GHz上下，而可用頻譜帶寬只有100MHz。因此，如果使用毫米波頻段，頻譜帶寬輕輕松松就翻了10倍，傳輸速率也可得到巨大提升。5G時(shí)代，我們可以使用毫米波頻段輕輕松松用手機(jī)5G在線看藍(lán)光品質(zhì)的電影，只要你不怕流量用完！

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5G標(biāo)志性能力指標(biāo)為“Gbps用戶體驗(yàn)速率”，一組關(guān)鍵技術(shù)包括大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址、全頻譜接入和新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

　　大規(guī)模天線陣列是提升系統(tǒng)頻譜效率的最重要技術(shù)手段之一，對(duì)滿足5G系統(tǒng)容量和速率需求將起到重要的支撐作用；超密集組網(wǎng)通過(guò)增加基站部署密度，可實(shí)現(xiàn)百倍量級(jí)的容量提升，是滿足5G千倍容量增長(zhǎng)需求的最主要手段之一；新型多址技術(shù)通過(guò)發(fā)送信號(hào)的疊加傳輸來(lái)提升系統(tǒng)的接入能力，可有效支撐5G網(wǎng)絡(luò)千億設(shè)備連接需求；全頻譜接入技術(shù)通過(guò)有效利用各類(lèi)頻譜資源，可有效緩解5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)頻譜資源的巨大需求；新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基于SDN、NFV和云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)以用戶為中心的更靈活、智能、高效和開(kāi)放的5G新型網(wǎng)絡(luò)。

　　5G和4G最明顯的區(qū)別是，前者不僅支持6GHz以下低頻段，還能延伸到26.5～300GHz的毫米波頻段。這一變化的意義是顯而易見(jiàn)的，4G之前，帶寬資源極其稀缺，增加頻譜利用率幾乎是提高傳輸速度的唯一選擇，而5G利用毫米波則解決了帶寬資源有限的后顧之憂。

　　毫米波這個(gè)頻段，我們?cè)僬務(wù)摰木筒皇菐资缀掌澋膸?，它將?huì)是幾百兆、甚至千兆級(jí)的帶寬。

　　各個(gè)頻段可用頻譜帶寬比較

　　毫米波頻段的另一個(gè)特性是在空氣中衰減較大，且繞射能力較弱。手機(jī)使用的毫米波信號(hào)衰減確實(shí)比較大，但是同樣地其他終端發(fā)射出的毫米波信號(hào)（對(duì)你而言是干擾信號(hào)）的衰減也很大，所以毫米波系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的時(shí)候不用特別考慮如何處理干擾信號(hào)，只要不同的終端之間不要靠得太近就可以。

　　選擇60GHz更是把這一點(diǎn)利用到了極致，因?yàn)?0GHz正好是氧氣的共振頻率，因此60GHz的電磁波信號(hào)在空氣中衰減非?？欤瑥亩梢酝耆苊獠煌K端之間的干擾。

　　當(dāng)然，毫米波在空氣中衰減非常大這一特點(diǎn)也注定了毫米波技術(shù)不太適合使用在室外手機(jī)終端和基站距離很遠(yuǎn)的場(chǎng)合。各大廠商對(duì)5G頻段使用的規(guī)劃是在戶外開(kāi)闊地帶使用較傳統(tǒng)的6GHz以下頻段以保證信號(hào)覆蓋率，而在室內(nèi)則使用微型基站加上毫米波技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)傳輸。

　　毫米波相比于傳統(tǒng)6GHz以下頻段還有一個(gè)特點(diǎn)就是天線的物理尺寸可以比較小。這是因?yàn)樘炀€的物理尺寸正比于波段的波長(zhǎng)，而毫米波波段的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)6GHz以下頻段，相應(yīng)的天線尺寸也比較小。

　　因此我們可以方便地在移動(dòng)設(shè)備上配備毫米波的天線陣列，從而實(shí)現(xiàn)各種MIMO（MulTIple-Input MulTIple-Output，指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，使信號(hào)通過(guò)發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量）技術(shù)，包括波束成型。

　　毫米波收發(fā)機(jī)芯片如何實(shí)現(xiàn)

　　商用的毫米波收發(fā)機(jī)芯片會(huì)使用CMOS工藝，這一方面為了能夠和數(shù)字模塊集成，另一方面為了節(jié)省成本。毫米波收發(fā)機(jī)芯片的結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)頻段收發(fā)機(jī)很相似，但是毫米波收發(fā)機(jī)有著獨(dú)特的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

　　其一是如何控制功耗。毫米波收發(fā)機(jī)要求CMOS器件能工作在毫米波頻段，所以要求CMOS器件對(duì)信號(hào)的靈敏度很高。

　　另一個(gè)毫米波芯片必須考慮的問(wèn)題是傳輸線效應(yīng)。

　　我們可以把電路中的導(dǎo)線類(lèi)比成繩子，而把電路中的信號(hào)源類(lèi)比為對(duì)繩施力的人。當(dāng)信號(hào)變化的頻率很慢的時(shí)候，就近似地等于靜力分析，此時(shí)導(dǎo)線上每一點(diǎn)的信號(hào)都近似地等于信號(hào)源的信號(hào)。當(dāng)信號(hào)變化很快時(shí)，由于信號(hào)的波長(zhǎng)接近或小于導(dǎo)線的長(zhǎng)度，我們必須仔細(xì)考慮導(dǎo)線上每一點(diǎn)的情況，而且導(dǎo)線的性質(zhì)（特征阻抗）會(huì)極大地影響信號(hào)的傳播。

　　這種效應(yīng)在電磁學(xué)中被稱為“傳輸線效應(yīng)”，在設(shè)計(jì)毫米波芯片時(shí)必須仔細(xì)考慮傳輸線效應(yīng)才能確保芯片正常工作。

　　不過(guò)，盡管設(shè)計(jì)充滿挑戰(zhàn)，毫米波芯片大規(guī)模商用化目前已現(xiàn)曙光。Broadcom已經(jīng)推出了60GHz的收發(fā)機(jī)芯片（BCM20138），該產(chǎn)品主要針對(duì)60GHz頻段的WiFi標(biāo)準(zhǔn)（802.11.ad），也可以看作是為5G毫米波芯片解決方案投石問(wèn)路。Qualcomm也于兩年前不甘落后收購(gòu)了專(zhuān)注于毫米波技術(shù)的Wilocity。同時(shí)，三星，華為海思等重量級(jí)選手也在加緊研發(fā)毫米波芯片。相信在近期我們就會(huì)看到毫米波射頻芯片市場(chǎng)變得熱鬧非凡。