硅光子技術(shù)的不斷進(jìn)步將改變新一代多功能MMIC的組成

5G 的出現(xiàn)促使人們重新思考從半導(dǎo)體到基站系統(tǒng)架構(gòu)再到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臒o(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施。

在半導(dǎo)體層面上，硅基氮化鎵的主流商業(yè)化開(kāi)啟了提高射頻功率密度、節(jié)省空間和提高能效的大門(mén)，其批量生產(chǎn)水平的成本結(jié)構(gòu)非常低，與LDMOS 相當(dāng)，遠(yuǎn)低于碳化硅基氮化鎵。與此同時(shí)，對(duì)于高功率射頻應(yīng)用，氮化鎵的用例已經(jīng)擴(kuò)展到分立晶體管以外。隨著氮化鎵向商用4G LTE 無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施的擴(kuò)展，逐漸實(shí)現(xiàn)了規(guī)模經(jīng)濟(jì)，為氮化鎵順利進(jìn)入MMIC 市場(chǎng)提供了有力支持，從而幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)更高水平的功能和設(shè)備集成，滿(mǎn)足新一代5G 系統(tǒng)的需求。

同時(shí)，隨著集成射頻、模擬和數(shù)字電路的射頻SoC 不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)處理速度發(fā)生了質(zhì)的飛躍（涵蓋極寬頻率范圍），可利用先進(jìn)的直接采樣功能。在電路板層面上，這消除了與特定頻率計(jì)劃相關(guān)的離散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的需求，從而可實(shí)現(xiàn)具備數(shù)字靈活性和更多IO 的小型系統(tǒng)。

在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)層面上，5G 數(shù)據(jù)吞吐量要求重新審視了負(fù)責(zé)卸載和路由5G 數(shù)據(jù)洪流的光學(xué)傳輸技術(shù)。通過(guò)全面了解從基站到網(wǎng)絡(luò)光纖的網(wǎng)絡(luò)（從射頻到光），系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以更好地了解這些技術(shù)交叉出現(xiàn)時(shí)遇到的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

在這里，我們將評(píng)估用于集成多功能MMIC 的硅基氮化鎵的優(yōu)勢(shì)、射頻片上系統(tǒng)(SOC) 的優(yōu)勢(shì)以及影響5G 無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的先進(jìn)光通信技術(shù)架構(gòu)。

氮化鎵和MMIC 的創(chuàng)新

由于大規(guī)模MIMO 天線配置的密度很大（單個(gè)5G 基站中可擴(kuò)展超過(guò)256 個(gè)發(fā)射和接收元件），可用的PCB 空間就極為珍貴，特別是在較高頻率下。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，目前我們正在用多功能MMIC 取代5G 基站設(shè)計(jì)中的分立IC 和單功能MMIC。

除了通過(guò)多功能集成來(lái)節(jié)省空間外，還可通過(guò)降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度，減少個(gè)別芯片封裝、測(cè)試和裝配的工作量來(lái)降低成本?？赏ㄟ^(guò)減少接口數(shù)量提高整體機(jī)械可靠性。

上述背景為硅基氮化鎵成功進(jìn)入商用半導(dǎo)體市場(chǎng)提供了良好的時(shí)機(jī)。由于硅基氮化鎵可向8 英寸和12 英寸硅晶圓擴(kuò)展，因此可實(shí)現(xiàn)碳化硅基氮化鎵無(wú)法企及的成本效益以及LDMOS 無(wú)法達(dá)到的功率密度- 每單位面積的功率提高4 至6 倍。

為兼顧這兩個(gè)關(guān)鍵屬性，硅基氮化鎵進(jìn)一步突出了其卓越性能，即在芯片級(jí)集成強(qiáng)大的功能，為打造超緊湊型MMIC 提供額外的空間優(yōu)化。其硅基底支持氮化鎵器件和基于CMOS 的器件在單個(gè)芯片上同質(zhì)集成- 碳化硅基氮化鎵由于工藝限制而無(wú)法提供該功能。這為多功能數(shù)字輔助射頻MMIC 集成片上數(shù)字控制和校準(zhǔn)以及片上配電網(wǎng)絡(luò)等奠定了基礎(chǔ)。

射頻SoC 處理效率

對(duì)于5G 基站基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)說(shuō)，可通過(guò)基于硅基氮化鎵的多功能MMIC 實(shí)現(xiàn)集成優(yōu)勢(shì)并減少硬件內(nèi)容，而商業(yè)市場(chǎng)上新興的射頻SoC 對(duì)此做出了進(jìn)一步的補(bǔ)充。射頻SoC集成了多個(gè)千兆位采樣射頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，可在很寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)處理，從而簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)流水線，并為增加射頻通道數(shù)量提供了可擴(kuò)展的途徑。

采用傳統(tǒng)的超外差接收器架構(gòu)時(shí)，信號(hào)必須先降頻為基帶信號(hào)，這需要一個(gè)混頻器和附加電路。2.6 GHz 射頻信號(hào)(4G LTE) 需要下變頻到MHz 級(jí)頻率范圍，這樣一來(lái)，傳統(tǒng)的ADC 便可以較低的速度進(jìn)行采樣。

要將所有的頻率信息放入第一奈奎斯特頻帶，您需要以3 倍的射頻頻率進(jìn)行采樣。為此，2.6 GHz 信號(hào)需要以大約每秒8 千兆次的采樣速率進(jìn)行采樣，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)ADC 的能力，傳統(tǒng)ADC 的采樣速率要低得多，在400 MHz 頻率范圍內(nèi)通常為每秒3 千兆次采樣。

新一代射頻SoC 正竭力克服這一障礙，它能夠以高達(dá)每秒56 千兆次的采樣速率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，從而可在極高射頻頻率下進(jìn)行直接射頻采樣，當(dāng)然也可以選擇降低采樣速率。這種數(shù)字采樣功能消除了對(duì)傳統(tǒng)超外差接收器和離散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的需求，同時(shí)也消除了超外差采樣所需的激勵(lì)器技術(shù)的需求。

射頻SoC 可以將大量通道封裝到極小的器件中。從功能上看，可將4 到16 個(gè)通道裝入一個(gè)約12mm X 12mm 的IC 中，而無(wú)需通過(guò)多個(gè)電路板卡實(shí)現(xiàn)相同的目的- 這就類(lèi)似于從老式旋轉(zhuǎn)電話發(fā)展到智能手機(jī)后，不但減小了體積，還增強(qiáng)了IO 功能。在確立發(fā)展7nm 間距射頻CMOS 技術(shù)的明確方向后，通道密度將只能繼續(xù)增大，功耗優(yōu)化將繼續(xù)得到改善。

展望未來(lái)，射頻SoC 所實(shí)現(xiàn)信號(hào)的失真情況將越來(lái)越少- 先前無(wú)法糾正的模糊和不完善之處將很容易進(jìn)行糾正。在系統(tǒng)級(jí)，我們能夠再次見(jiàn)證多功能集成和減少組件數(shù)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)如何為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的5G 基礎(chǔ)設(shè)施顯著節(jié)省空間、降低功耗和壓縮成本。

另外值得注意的是，射頻SoC 在相干波束成形中起到關(guān)鍵作用，這是一種用于先進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)的有源相控陣天線技術(shù)，可以提高6 Ghz 以下無(wú)線基站的性能。憑借相干波束成形，大規(guī)模MIMO 陣列中的每個(gè)發(fā)射和接收元件可與其他元件協(xié)同工作，以動(dòng)態(tài)地增加用戶(hù)方向的發(fā)射功率和接收器靈敏度，從而減輕來(lái)自其他源的噪聲、干擾和反射。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可將硅基氮化鎵、異類(lèi)微波集成電路(HMIC) 和相干波束成形技術(shù)相結(jié)合，在滿(mǎn)足大規(guī)模MIMO 陣列緊湊尺寸約束的前提下實(shí)現(xiàn)高水平能效。

從射頻到光

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商和超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商在順應(yīng)5G 發(fā)展的新形勢(shì)下目標(biāo)一致- 他們需要盡可能快速且經(jīng)濟(jì)高效地移動(dòng)數(shù)據(jù)。隨著射頻和光通信技術(shù)的并行發(fā)展開(kāi)始相互交融，我們將更清楚地了解一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新如何影響其他領(lǐng)域的發(fā)展。

射頻基站實(shí)現(xiàn)的更快數(shù)據(jù)處理和吞吐速度同樣反映在從100G 到400G 光收發(fā)器模塊的過(guò)渡中，特別是在端口密度必須繼續(xù)增加以滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心對(duì)不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)量的需求。

實(shí)現(xiàn)更高集成度和減少組件數(shù)量是大勢(shì)所趨，這是向400G 模塊發(fā)展的關(guān)鍵因素，其中單 λ（又稱(chēng)單波長(zhǎng)）PAM-4 調(diào)制方案的出現(xiàn)正在轉(zhuǎn)變模塊架構(gòu)。對(duì)于100G 收發(fā)器，單 λPAM-4 技術(shù)可將激光器數(shù)量減少為一個(gè)，并消除了對(duì)光復(fù)用的需求。對(duì)于400G 實(shí)施方案，僅需四個(gè)光學(xué)組件，對(duì)數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商而言，這是一個(gè)通過(guò)極其緊湊且節(jié)能的模塊降低其成本的重大機(jī)遇。超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的這項(xiàng)創(chuàng)新將在不久后推廣到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

在半導(dǎo)體層面上，硅光子技術(shù)的不斷進(jìn)步將改變新一代多功能MMIC 的組成，從而利用已確立的CMOS 工藝通過(guò)商業(yè)規(guī)模的制造技術(shù)在晶圓基底上一次生產(chǎn)數(shù)千個(gè)光學(xué)元件。憑借將基于氮化鎵的射頻器件與光學(xué)器件集成在單一硅片上的新功能（以極具吸引力的成本結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)），可減少射頻元件和光學(xué)元件之間接口，從而通過(guò)網(wǎng)絡(luò)輕松實(shí)現(xiàn)更清晰、更快速的信號(hào)。

與此同時(shí)，硅基氮化鎵技術(shù)、多功能MMIC 和射頻SoC 的不斷發(fā)展將推動(dòng)射頻和微波行業(yè)朝著實(shí)現(xiàn)更卓越、更經(jīng)濟(jì)高效的集成無(wú)線系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的道路邁進(jìn)，最終完成5G 連接的目標(biāo)。