移動通信技術(shù)的毫米波波束成形系統(tǒng)構(gòu)成

隨著通信產(chǎn)業(yè)尤其是移動通信的高速發(fā)展，無線電頻譜的低端頻率已趨飽和。采用各種調(diào)制方法或多址技術(shù)擴(kuò)大通信系統(tǒng)的容量，提高頻譜的利用率，也無法滿足未來通信發(fā)展的需求，因而實(shí)現(xiàn)高速、寬帶的無線通信勢必向微波高頻段開發(fā)新的頻譜資源。毫米波由于其波長短、頻帶寬，可以有效地解決高速寬帶無線接入面臨的許多問題，因而在短距離無線通信中有著廣泛的應(yīng)用前景。

各種半導(dǎo)體器件是信息和通信技術(shù)（ＩＣＴ ）的硬件基礎(chǔ)，創(chuàng)造性研發(fā)滿足毫米波無線通信應(yīng)用的新興半導(dǎo)體技術(shù)和電路，是提升通信系統(tǒng)容量、解決構(gòu)建新一代通信系統(tǒng)關(guān)鍵問題的主要技術(shù)推手。文章沿著毫米波半導(dǎo)體器件技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展脈絡(luò)，從相控陣等關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)、半導(dǎo)體材料和工藝、器件設(shè)計和封裝測試入手，分析總結(jié)了第五代（５Ｇ ）、第六代（ ６Ｇ ）移動通信技術(shù)毫米波系統(tǒng)和器件技術(shù)發(fā)展趨勢。以美國 ＤＡＲＰＡ 的 ＭＩＤＡＳ 計劃為例，闡釋了軍用毫米波器件技術(shù)的研究前沿和進(jìn)展。

信息時代通信技術(shù)所面臨的主要問題就是解決海量數(shù)據(jù)生成與通信容量不足之間的矛盾。預(yù)計到２０３２ 年，每年約有 ４５ 萬億個傳感器從物理世界中采集巨量模擬信息（等價于?） ?，F(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足未來對信息傳輸容量的需求。解決現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率低下與信息高生成率之間的巨大差距問題，成為無線通信技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。當(dāng)前主要解決方法之一是每隔幾年引入一個新的無線標(biāo)準(zhǔn)來定義新協(xié)議，即采用更復(fù)雜的調(diào)制方案，以增加數(shù)據(jù)吞吐量。然而，調(diào)制復(fù)雜度增加到某種程度不再能顯著提高吞吐量，創(chuàng)造新的解決方案已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。

著名的香農(nóng) － 哈特利（ Ｓｈａｎｎｏｎ － Ｈａｒｔｌｅｙ ）定理指出，通信系統(tǒng)的容量與帶寬呈線性函數(shù)關(guān)系。為了快速傳輸更多的數(shù)據(jù)，理論上可以采用另一種更為長效的 提 高 系 統(tǒng) 吞 吐 量 的 方 法，即 將 調(diào) 制 信 號（ＦＢＷ ）擴(kuò)展到更寬的頻率范圍內(nèi)來增加其帶寬，當(dāng)前無線通信的發(fā)展主要就是遵循這一思路。目前蜂窩網(wǎng)絡(luò)的許可運(yùn)行頻段主要在 ６ＧＨｚ 頻率以下，可用頻譜受到一定限制。順應(yīng)趨勢要求，運(yùn)行頻譜向更高頻段拓展是必然的。毫米波頻段（一般指３０～３００ＧＨｚ電磁波頻段）無線通信具有頻譜寬和較強(qiáng)有效視距通信能力，能夠大幅提高帶寬、數(shù)據(jù)傳輸率，以及降低端到端延時，實(shí)現(xiàn)通信容量的大幅提升，因而獲得了越來越多的關(guān)注。更多毫米波高端頻段（一般指 ＞６ＧＨｚ頻段）被使用，毫米波產(chǎn)業(yè)鏈也快速發(fā)展起來。

一般認(rèn)為第五代移動通信技術(shù)（５Ｇ ）將部署電磁頻譜的毫米波頻段，第六代移動通信技術(shù)（６Ｇ ）將開發(fā)利用太赫茲（０．１～１０ＴＨｚ ）頻段。５Ｇ和６Ｇ 回程數(shù)據(jù)容量從１０Ｇｂｉｔ ／ ｓ增加到１００Ｇｂｉｔ／ ｓ ，只能通過壓縮更高調(diào)制格式的數(shù)據(jù)，以在毫米波模式下工作，如圖１所示? ，這里更高的工作帶寬是可用的。達(dá)到這一目的的主要技術(shù)途徑就是進(jìn)行半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新，開發(fā)毫米波、太赫茲頻段工作的半導(dǎo)體器件、材料和架構(gòu)。一些在軍事應(yīng)用中采用多年的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)成為５Ｇ 電信的理想技術(shù)。例如，相控陣技術(shù)是具有良好發(fā)展前景的重點(diǎn)技術(shù)。５Ｇ 電信正致力實(shí)現(xiàn)防務(wù)行業(yè)利用相控陣天線所帶來的益處，克服毫米波信號容易受阻于建筑物或者障礙物的缺點(diǎn)。軍事應(yīng)用面臨更為復(fù)雜的通信環(huán)境，距離通常相隔幾十公里甚至幾百海里。系統(tǒng)容量、數(shù)據(jù)傳輸速率同樣也是軍用通信系統(tǒng)所追求的關(guān)鍵指標(biāo)。毫米波相控陣在軍用通信、雷達(dá)、電磁頻譜戰(zhàn)領(lǐng)域的發(fā)展意義重大。軍用和民用５Ｇ 通信建立起的良性循環(huán)有利于形成相互利用和促進(jìn)的局面。

圖 １　 商用無線數(shù)據(jù)服務(wù)速率每十年增加十倍的毫米波技術(shù)趨勢

1??毫米波技術(shù)趨勢

從當(dāng)前 國 際 ５Ｇ 技 術(shù) 發(fā) 展 來 看，主 要 國 家 ６ＧＨｚ以下頻段已經(jīng)全面實(shí)現(xiàn)商用。無線通信要實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)容量或更高帶寬，主要的著力點(diǎn)是開發(fā)利用２４．２５ＧＨｚ以上頻段的毫米波高頻段。在２０１９年世界無線電通信大會（ ＷＲＣ － １９ ）上，基于國際電信聯(lián)盟（ＩＴＵ ）、第三代合作伙伴計劃（ ３ＧＰＰ ）等國際標(biāo)準(zhǔn)化組織框架，各國代表就 ５Ｇ 毫米波頻譜使用達(dá)成共識：全球范圍將２４．２５～２７．５ＧＨｚ 、 ３７～４３．５ＧＨｚ 、 ６６～７１ＧＨｚ共１４．７５ＧＨｚ帶寬的毫米波頻率標(biāo)識用于５Ｇ 及國際移動通信系統(tǒng)（ ＩＭＴ ）的未來發(fā)展。ＷＲＣ － １９的決議規(guī)劃了大量連續(xù)帶寬的毫米波頻率用于 ５Ｇ 技術(shù) ，如圖 ２ 所示。這為 ５Ｇ／６Ｇ相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和成熟奠定了基礎(chǔ)，全球５Ｇ系統(tǒng)部署和商用步伐正在加速。

半導(dǎo)體工業(yè)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是開發(fā)并提供可賦能給５Ｇ 、 ６Ｇ 信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，增加信息傳輸吞吐量、覆蓋空間和傳輸距離。這些需求將轉(zhuǎn)化成對半導(dǎo)體器件射頻和基帶帶寬、工作頻率、功耗、增益、噪聲系數(shù)、線性度、發(fā)射功率等性能指標(biāo)的要求。除最可能優(yōu)先部署的２６ＧＨｚ ／ ２８ＧＨｚ／ ３９ＧＨｚ頻段之外，近年業(yè)界對工作在 Ｖ 波段（ ５７～６６ＧＨｚ ）、 Ｅ 波段（７１～８６ＧＨｚ ）和 Ｗ 波段（ ７５－１１０ＧＨｚ ）的半導(dǎo)體技術(shù)給予越來越多的關(guān)注。高于９０ＧＨｚ和高達(dá)３００ＧＨｚ的頻段也已經(jīng)開始開發(fā)。６Ｇ 網(wǎng)絡(luò)通信頻段將向上擴(kuò)展至太赫茲頻段并延伸到三維空間，可連接衛(wèi)星、飛機(jī)、船舶和陸基基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)真正的全球覆蓋智能化通信? 。

圖 ２　５Ｇ 關(guān)鍵場景對應(yīng)頻譜分布

新一代毫米波無線通信系統(tǒng)技術(shù)主要包括工作于毫米波頻段的大規(guī)模 ＭＩＭＯ 系統(tǒng)架構(gòu)、波束成形芯片、基站（ ＢＳ ）和用戶終端（ＵＴ ）的天線、系統(tǒng)測量和校準(zhǔn)技術(shù)以及無線信道表征。通信基站是移動通信網(wǎng)絡(luò)中最關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施。圖 ３ 所示為核心網(wǎng)（ ＣＮ ） ５Ｇ 毫 米 波 基 站 基 帶 單 元 － 有 源 天 線 單 元（ＢＢＵ － ＡＡＵ ）架構(gòu)的示意圖。該基站主要完成新空口（ ＮＲ ）基帶信號與射頻信號的轉(zhuǎn)換及ＮＲ 射頻信號的收發(fā)處理功能。

圖 ３　 一種 ５Ｇ 毫米波基站架構(gòu)示意圖

發(fā)射信號時，從 ５Ｇ 基帶單元傳來的基帶信號，經(jīng)過上變頻、 Ｄ ／ Ａ 轉(zhuǎn)換以及射頻調(diào)制、濾波、信號放大等發(fā)射鏈路（ ＴＸ ）處理后，再由開關(guān)、天線單元發(fā)射出去。接收信號時，５Ｇ射頻單元通過天線單元接收射頻信號，經(jīng)過低噪放、濾波、解調(diào)等接收鏈路（ ＲＸ ）處理后，再進(jìn)行 Ａ ／ Ｄ 轉(zhuǎn)換、下變頻，轉(zhuǎn)換為基帶信號并發(fā)送給 ５Ｇ 基帶單元 。

2??毫米波波束成形系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)每個天線元件的相位，５Ｇ無線波束成形按系統(tǒng)架構(gòu)分為三種類型：模擬波束成形? 、全數(shù)字波束成形和混合波束成形? 。

２．１　 模擬和數(shù)字波束成形架構(gòu)

基于相控陣的模擬波束成形在模擬域內(nèi)進(jìn)行相位移動。模擬波束成形系統(tǒng)分為三個模塊：數(shù)字模塊、位到毫米波模塊和波束成形模塊。根據(jù)模擬移相的位置，可以將移相分為中頻移相 、本地振蕩器移相和射頻移相。采用數(shù)字控制移相器（如６ 位 移 相 器）或 靜 態(tài) 模 擬 波 束 成 形 結(jié) 構(gòu) （如Ｂｕｔｌｅｒ矩陣 、Ｂｌａｓｓ矩陣和 Ｌｅｎｓｅｓ ）來實(shí)現(xiàn)相移。圖 ４ （ ａ ）所示為射頻波束成形接收機(jī)的一種架構(gòu)，來自天線元件的信號經(jīng)過加權(quán)和合并，產(chǎn)生一個波束，然后由混頻器和信號鏈其余部分加以處理。這是相控陣的傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式。優(yōu)勢是實(shí)現(xiàn)成本較低、部署簡便，缺點(diǎn)是較難產(chǎn)生多波束。

數(shù)字波束成形的原理是：每個元件單元的信號在獨(dú)立數(shù)字化后，完全在數(shù)字電路中實(shí)現(xiàn)相移，結(jié)構(gòu)如圖３（ｂ ）所示，通過收發(fā)器陣列饋送到天線陣列。全數(shù)字相控陣是最有發(fā)展前途的架構(gòu)。每個天線單元被連接到一個獨(dú)立的高速、高精度 Ａ ／Ｄ轉(zhuǎn)換器（ ＡＤＣ）或 Ｄ／ Ａ 轉(zhuǎn)換器（ ＤＡＣ ）上。若選用低分辨率的 ＡＤＣ ／ ＤＡＣ ，則能大幅降低功耗。數(shù)字移相系統(tǒng)里所有的信號流都被數(shù)字化，因而數(shù)字波束成形具有快速波束管理和波束成形等優(yōu)點(diǎn)，可以同時創(chuàng)建多個波束或在所有方向上進(jìn)行搜索，并對障礙具有魯棒性。

圖４模擬和數(shù)字波束成形架構(gòu)比較示意圖

２．２　 混合波束成形架構(gòu)

混合波束成形（ ＨＢＦ ）是模擬和數(shù)字波束成形技術(shù)的結(jié)合? ，是兩者組合一個中間方案，如圖５所示，是權(quán)衡成本／硬件復(fù)雜性和系統(tǒng)性能的方案。方案之一是將陣列劃分為更小的子陣列，并在子陣列內(nèi)執(zhí)行模擬波束成形。每個子陣列可被認(rèn)為是具有某種定向輻射圖形的超級元件。然后使用來自子陣列的信號執(zhí)行數(shù)字波束成形，產(chǎn)生對應(yīng)于陣列全孔徑的高增益窄波束?；旌喜ㄊ尚问悄壳埃担?無線通信系統(tǒng)的主流方案。

圖 ５　 多個模擬波束的混合波束成形示意圖

２．３　 功能模塊和電子組件

圖６所示為用于５Ｇ 的天線模塊配置和每個功能塊宜采用的半導(dǎo)體技術(shù)方案? 。有各種構(gòu)建相控陣的功能塊和半導(dǎo)體技術(shù)方案。最右邊的天線陣列接收到的信號由前端低噪聲放大器放大。然后，它們的信號位在射頻波束成形器內(nèi)被調(diào)整和合成。合成的信號從射頻頻率轉(zhuǎn)換為中頻。再通過ＡＤＣ轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，進(jìn)行信號處理。另一方面，數(shù)字部分產(chǎn)生的信號通過 ＤＡＣ 轉(zhuǎn)換為模擬信號，并轉(zhuǎn)換為無線電頻率。然后，它們被射頻波束成形器分割成相位調(diào)整信號，由前端的功率放大器放大后從陣列天線發(fā)射。

射頻集成電路（ ＲＦＩＣ ）是重要的一類組件。東京工業(yè)大學(xué)和 ＮＥＣ公司開發(fā)了一種由４個發(fā)射／接收電 路 （ ＴＲＸ ）組 成 的 ＲＦＩＣ ，采 用 ６５ｎｍ 體 硅ＣＭＯＳ技術(shù)制作? 。這種 ＲＦＩＣ 具有將信號從中頻 － 射頻轉(zhuǎn)換到前端的功能，并通過改變本振信號相位來修改射頻信號相位，使ＩＣ小型化。三星公司開發(fā)了一種 ＲＦＩＣ ，具有將信號從中頻 － 射頻轉(zhuǎn)換到射頻前端的 １６ 個 平行傳 輸信道，采用 ２８ｎｍ 體硅ＣＭＯＳ技術(shù)制作，如圖７所示? 。ＩＢＭ 和愛立信使用ＳｉＧｅ?。拢椋茫停希蛹夹g(shù)聯(lián)合開發(fā)了一種 ＲＦＩＣ ，具有如圖６所示的從中頻 － 射頻（ ＩＦ － ＲＦ ）轉(zhuǎn)換到前端的功能? 。這個ＲＦＩＣ采用一個實(shí)時延遲電路作為移相器，它 有 ３２ＴＲＸ 和 很 好 的 波 束 成 形 性 能。ＭｉｘＣｏｍｍ 開發(fā)了一種 ８ＴＲＸ?。遥疲桑?，采用 ４５ｎｍＰＤ － ＳＯＩ技術(shù)，電路具有射頻波束成形器和前端功能 。通過垂直堆疊增加 ＳＯＩ上功率放大器的輸出，以補(bǔ)償晶體管柵極尺寸微化造成的輸出功率下降。已經(jīng)使用 ＧａＡｓ 、ＧａＮ 材料開發(fā)用于５Ｇ 毫米波的具有良好高頻特性的 ＲＦＩＣ 。但只能用于研制功率放大器、低噪聲放大器等模擬電路。目前還無法用這些技術(shù)創(chuàng)建數(shù)字電路。

圖 ６　 使用混合波束成形的毫米波相控陣的簡化框圖

圖 ７?。保?信號鏈路 ＲＦＩＣ 芯片布局

3??毫米波半導(dǎo)體技術(shù)研究進(jìn)展

通過半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展有效提升信息傳輸和處理效率的系統(tǒng)性解決方案，需要從材料、工藝、系統(tǒng)和電路設(shè)計、封裝與測試、軟件等方面著手開展協(xié)同研究。

３．１　 材料技術(shù)

推動未來通信技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新的半導(dǎo)體工藝平臺包括 ＲＦＳＯＩ 、 ＦｉｎＦＥＴ 、基于 ＳＯＩ ／ ＳｉＧｅ 的光電技術(shù)。材料技術(shù)處于半導(dǎo)體技術(shù)革新的中心。毫米波電路只有從基礎(chǔ)材料出發(fā)不斷創(chuàng)新，才能不斷提升工作頻率并滿足不同應(yīng)用場景的要求，如圖８所示。主流模擬ＩＣ ／ ＲＦＩＣ半導(dǎo)體材料包括如下內(nèi)容。

１ ） Ⅲ － Ⅴ 化 合 物。目 前 主 要 采 用 ＧａＡｓｐＨＥＭＴ 和 ＩｎＧａＰ?。龋拢?制作電路。以 ＧａＮ 為代表的寬禁帶化合物材料正在崛起。ＧａＮ 的熱導(dǎo)率與Ｓｉ 相當(dāng)，但其擊穿電壓非常高，具有比 Ｓｉ 更高的電子遷移率、更高的功率增益、更低的噪聲和更高的功率效率，非常適合于制作毫米波系統(tǒng)的功率放大器、低噪聲放大器、低相位噪聲振蕩器等前端電路。

圖８ 主要的半導(dǎo)體材料和器件發(fā)展路線圖

２ ）Ｓｉ基材料。目前主要采用 ＣＭＯＳ和ＳｉＧｅ／ＢｉＣＭＯＳ ，易實(shí)現(xiàn)高集成度和高性價比，是制作小功率器件的優(yōu)選材料。與 ＣＭＯＳ平面體硅工藝兼容的全耗盡ＳＯＩ （ ＦＤＳＯＩ ）工藝是在低電壓下提供高頻工作的一種非常有前景的技術(shù)。文獻(xiàn)提出了一種基于ＦＤＳＯＩ 器件的毫米波波束成形系統(tǒng)，在高整體功率效率下實(shí)現(xiàn)ＳＯＣ集成。ＳｉＧｅ?。拢椋茫停希釉趩涡酒屑闪烁咝阅茈p極晶體管和 ＣＭＯＳ 器件，達(dá)到 ＧａＡｓ等更昂貴工藝才能實(shí)現(xiàn)的性能。

３ ）多材料異構(gòu)集成。Ⅲ － Ⅴ 與Ｓｉ共集成技術(shù)出現(xiàn)了兩種不同的集成方法，即與ＣＭＯＳ兼容的 ＧａＮ工藝 和硅基 Ⅲ － Ⅴ 族晶圓級集成技術(shù)? ，兩者都是在 ２００ 毫 米 硅 晶 圓 上 進(jìn) 行。前 者 利 用 現(xiàn) 有 的ＣＭＯＳ 基礎(chǔ)設(shè)施，使用 Ⅲ － Ⅴ 芯片和 Ｓｉ 芯片混合封裝形成最終系統(tǒng)，而后者是采用與現(xiàn)有的 Ｓｉ 代工工藝兼容的工藝，將 Ⅲ － Ⅴ 器件和 Ｓｉ器件共同集成在一個芯片中。二者都是引人注目的研究方向 。

３．２　 工藝技術(shù)

許多代工廠轉(zhuǎn)向比電子束光刻更具成本效益的光學(xué)光刻，開發(fā)出新的工藝技術(shù)來參與５Ｇ 芯片工藝競爭；或者將新功能集成到單個工藝節(jié)點(diǎn)中，降低成本，獲取價格優(yōu)勢。圖 ９ 顯示了在 ５Ｇ 中應(yīng)用的Ｓｉ 技術(shù)演變歷史。在 ２８ＧＨｚ 和 ３９ＧＨｚ 頻段的新興 ５Ｇ 毫米波蜂窩應(yīng)用中，有兩種引人注目的硅基技術(shù)——— ２８ｎｍ?。遥疲茫停希?和 １３０ｎｍ ／９０ｎｍ?。樱椋牵澹拢椋茫停希?。多篇文獻(xiàn)詳細(xì)介紹了 ２８ｎｍ 節(jié)點(diǎn) ＣＭＯＳ技術(shù) 以及該節(jié)點(diǎn)技術(shù)中器件的射頻特性? 。

這種平面技術(shù)采用了 ｇｅｎ － ４ｎＦＥＴ應(yīng)變結(jié)構(gòu)和浸入式光刻 技 術(shù)。就 柵 極 處 理 工 藝 而 言，存 在 Ｐｏｌｙ／ＳｉＯＮ 和高 ｋ 金屬柵極 （ＨＫＭＧ ）的處理方式，即ＨＫＭＧ工藝，該技術(shù)能提供更好的 Ｉ ｏｎ 和 ｇ ｍ ，同時降低 柵 極 電 阻 Ｒ ｇ。研 究 還 表 明，２８ｎｍ 體 硅ＣＭＯＳ技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)用于８０２．１１ａｃ的高級ＳＯＣ集成收發(fā)器和２５Ｇｂｉｔ／ ｓ?。叮埃牵龋鷮拵?shù)字功率放大器，并達(dá)到合理的射頻前端性能。

圖 ９　 在 ５Ｇ 中應(yīng)用的 Ｓｉ 技術(shù)演變歷史

ＳｉＧｅ?。拢椋茫停希?應(yīng)用于 ＷｉＦｉ 前端、遠(yuǎn)程汽車?yán)走_(dá)、光學(xué)ＩＣ 和５Ｇ 毫米波基站。在 ＢｉＣＭＯＳ技術(shù)下，通常將 ＳｉＧｅ?。龋拢?添加到較大尺寸的 ＣＭＯＳ 節(jié)點(diǎn)中，并仔細(xì)優(yōu)化技術(shù)的其他方面，如 ＨＢＴ 、布線和襯底損耗，以最大化應(yīng)用效益。例如，３５０ｎｍ?。樱椋牵澹拢椋茫停希?仍然足以滿足極具挑戰(zhàn)性的 ＷｉＦｉ 前端功率放大器（ ＰＡ ）需求 。ＳｉＧｅ?。拢椋茫停希?將作為未來在 １００ＧＨｚ 以上毫米波應(yīng)用的重要基礎(chǔ)技術(shù)之一。

在商業(yè)應(yīng)用中，每種半導(dǎo)體技術(shù)在性能和集成水平方面的潛力，必須與工藝的成熟度、芯片組在各種應(yīng)用 市場規(guī) 模 背 景 下 被 開 發(fā) 的 潛 在 投 資 回 報（ ＲＯＩ ）相平衡。出于這個原因，技術(shù)的選擇應(yīng)在性能、系統(tǒng)復(fù)雜性和成本指標(biāo)之間折中考慮，如表 １ 所示。

表 １　 毫米波半導(dǎo)體技術(shù)在性能、集成水平和開發(fā)成本方面的比較

３．３　ＩＣ 設(shè)計技術(shù)

隨著新工藝的推出，ＩＣ設(shè)計也在不斷演進(jìn)。ＩＣ設(shè)計人員通過在單個工藝節(jié)點(diǎn)中提供新功能，將某些功能組合到一個產(chǎn)品中，或者從核心晶體管中開發(fā)比以前更高的性能。這些趨勢最終導(dǎo)致芯片的集成度提高，并且更易于部署，如圖１０所示。毫米波相控陣系統(tǒng)設(shè)計的兩個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是發(fā)射機(jī)的功率效率和整個系統(tǒng)的熱功率預(yù)算。若采用Ｓｉ技術(shù)設(shè)計系統(tǒng)，則系統(tǒng)之間的差異將主要由功率放大器 工 作 點(diǎn) 的 最 大 功 率 輸 出 （ Ｐ ｓａｔ ）、功 率 效 率（ＰＡＥ ）以及天線和發(fā)射機(jī)／接收機(jī)之間的損耗造成。

圖 １０　 毫米波半導(dǎo)體系統(tǒng)主要電路示意圖

波束成形架構(gòu)和芯片劃分將由等效全向輻射功率（ ＥＩＲＰ ）、頻帶和系統(tǒng)中消耗的直流功率決定。ＳＯＣ的面積縮放與耗散的熱功率密度之間存在折中。在所有 ＰＡ 器件中， ＧａＮ 以最高的發(fā)射功率、最高的ＰＡＥ （如圖 １１ 所示）、最寬的帶寬、最大的功率密度和最高的可靠性脫穎而出 。面臨的主要挑戰(zhàn)是晶格失配電荷在阱中的填充與釋放時間常數(shù)差異導(dǎo)致的矢量幅度退化（ ＥＶＭ ）。此外，還未能證明這些器件是否能在 １２０ＧＨｚ以上頻率工作。今后的研究將致力于將 ＧａＮ 器件和 ＰＡ 的工作頻率擴(kuò)展到２００ＧＨｚ ，功率達(dá) ４０ｄＢｍ＠３０％ＰＡＥ 。隨著向更高的毫米波頻段邁進(jìn)，挑戰(zhàn)將更加嚴(yán)峻。

圖１１在毫米波頻率下工作的幾種技術(shù)的附加功率效率比較

毫米波器件設(shè)計要重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵半導(dǎo)體器件要素包括高頻技術(shù)、能優(yōu)化片上射頻無源元件的低損耗后段工藝、考慮了布線相關(guān)性影響的先進(jìn)建模和仿真能力，以及基于傳輸線的器件和交叉耦合。一般認(rèn)為，取 ｆ ｍａｘ 或者 ｆ Ｔ 的 １ ／ ３ 作為工作的頻率上限，可以容忍工藝、電壓和溫度的變化，同時還能保持足夠的增益。對于Ｓｉ　ＣＭＯＳ器件，由于柵極和互連電阻造成的各種限制，微縮到 ２０ｎｍ 以下對器件性能的改善收效甚微，ｆ ｍａｘ 可能于２０ｎｍ 左右達(dá)到４５０ＧＨｚ的峰值 。ＣＭＯＳ電路適宜小信號射頻應(yīng)用，已被證明能在１００ＧＨｚ范圍支持毫米波技術(shù) 。與ＣＭＯＳ相比，ＳｉＧｅ在高溫下具有更高的頻率、更高的擊穿電壓和更高的輸出功率。ＩＨＰ已經(jīng)演示了 ＤＯＴ７５０器件 的 ｆｍａｘ 達(dá)到７００ＧＨｚ，器件性能遠(yuǎn)高于 ＣＭＯＳ 。

３．４　 封裝與測試

在過去幾年中，射頻應(yīng)用推動先進(jìn)電子封裝市場涵蓋了不同行業(yè)。隨著汽車?yán)走_(dá)、高端智能手機(jī)、ＷｉＧｉｇ 器件等產(chǎn)品的出現(xiàn)，ＲＦ 封裝市場預(yù)計將在各個領(lǐng)域都有所增長。預(yù)計 ２０２５ 年射頻高級封裝市場將達(dá)到 ３４０ 億美元? 。晶圓級封裝（ＷＬＰ ）、 ３Ｄ硅通孔（ ＴＳＶ ）、系統(tǒng)封裝（ＳｉＰ ）和電磁干擾（ ＥＭＩ）屏蔽是射頻器件要求小尺寸、高速運(yùn)行和異構(gòu)集成的關(guān)鍵因素。在毫米波頻段優(yōu)化基于 ＳｉＰ 的封裝技術(shù)是通信集成電路面臨的主要挑戰(zhàn)之一。需要研究新的管理散熱或電氣性能的封裝和制造技術(shù)。智能手對功耗、尺寸和集成度有著苛刻的要求，基站要求的嚴(yán)格程度則相對較小。成本效率也是至關(guān)重要的因素。

毫米波 ５Ｇ 需要能夠?qū)崿F(xiàn)用于大規(guī)模 ＭＩＭＯ的寬帶（ ＞４００ＭＨｚ ）陣列的高度小型化的大型天線新封裝技術(shù)。歐洲共同利益重要項目（ＩＰＣＥＩ ）正在為 毫 米 波 ５Ｇ 基 站 應(yīng) 用 開 發(fā) 出 晶 圓 級 封 裝（ＦＯＷＬＰ ）的天線封裝模塊。圖 １２ 所示為該封裝的示意圖 ，顯示一種雙模堆疊的 ＦＯＷＬＰ?。遥模蹋?ＲＤＬ即導(dǎo)線重新分布層）芯片后裝工藝。兩個銅層（天線２和天線１ ）分別包括一個集成天線陣列和它的地平面，而兩個封裝層（模２和模１ ）分別作為天線襯底和插板層。采用 Ｇｌｏｂａｌｆｏｕｎｄｒｉｅｓ?。玻玻疲模丶夹g(shù)制成的模擬前端 ＩＣ （ ＡＦＥ　ＩＣ ）被集成到插板層，通過堆疊層的通孔與天線連接，并通過 ＲＤＬ與系統(tǒng)板連接 。封裝尺寸為１０ｍｍ×１０ｍｍ ，集成天線陣列包括一個２×２的貼片天線。器件在２８ＧＨｚ和３９ＧＨｚ雙頻段運(yùn)行，兩個頻段最小阻抗帶寬均為４００ＭＨｚ 。

圖 １２　 雙模 ＦＯＷＬＰ 封裝結(jié)構(gòu)圖

毫米波測試包括對系統(tǒng)、 ＲＦ 電路、數(shù)字電路、新材料（包括一些在最先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)上開發(fā)的材料）、新封裝方法、天線陣列、 ＳｉＰ 、天線級封裝（ＡｉＰ ）以及毫米波獨(dú)有的空口（ ＯＴＡ ）測試。毫米波測試才剛剛起步，電路復(fù)雜度高、工藝接入點(diǎn)多，測試、檢測和計量需要耗費(fèi)更長時間。ＭＩＭＯ 的性能在真實(shí)環(huán)境或隔離環(huán)境中測量。測量真實(shí)的室內(nèi)或室外環(huán)境中的傳播信道特性用于獲得每個特定ＭＩＭＯ信道的脈沖響應(yīng)。它提供了有關(guān)被測系統(tǒng)的完整知識，但僅針對一個特定場景。第二種 ＭＩＭＯ 測量是在隔離環(huán)境中進(jìn)行的，即 ＯＴＡ 測試。ＯＴＡ 測試是毫米波關(guān)鍵要素。文獻(xiàn)描述了不同的 ＯＴＡ 方法，提出了 ２８ＧＨｚ 和 ３９ＧＨｚ 相控陣天線及其 ＩＣ的 ＯＴＡ 測試解決方案。

4??軍用毫米波數(shù)字相控陣研究前沿

４．１　 技術(shù)路線

軍事應(yīng)用對毫米波技術(shù)有著強(qiáng)烈的需求。通信、雷達(dá)中的相控陣天線等毫米波關(guān)鍵技術(shù)首先在軍事領(lǐng)域得到發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)椋担?通信的主流技術(shù)，二者相互促進(jìn)，實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)。軍用毫米波技術(shù)聚焦數(shù)字相控陣前沿技術(shù)研究，從應(yīng)用層面大致有以下三個關(guān)聯(lián)方向

１ ）更遠(yuǎn)距離寬帶傳輸。美國國防高級項目研究局（ ＤＡＲＰＡ）的 ＭＩＤＡＳ 計劃正在開發(fā)用于通信和遙感的 １８～５０ＧＨｚ 高集成度單元級數(shù)字相控陣? 。ＭＩＤＡＳ最終目標(biāo)是開發(fā)出能實(shí)現(xiàn)快速移動戰(zhàn)術(shù)平臺之間的安全通信網(wǎng)絡(luò)天線孔徑，以更快的速度和帶寬更遠(yuǎn)地傳輸數(shù)據(jù)。諾格公司與 ＤＡＲＰＡ在“１００Ｇｂｉｔ ／ ｓ射頻主干網(wǎng)絡(luò)”項目中驗(yàn)證了在２０公里距離上 １００Ｇｂｉｔ ／ ｓ 的無線數(shù)據(jù)傳輸能力? 。鏈路在毫米波頻率上（７１～７６ＧＨｚ和８１～８６ＧＨｚ ）運(yùn)行，帶寬達(dá)５ＧＨｚ 。

２ ）更高分辨率和小型化。公開資料顯示，國外戰(zhàn)機(jī)雷達(dá)多工作在 Ｘ 頻段（８ＧＨｚ至１２ＧＨｚ ），部署和瞄準(zhǔn)導(dǎo)彈的雷達(dá)系統(tǒng)通常在 Ｋａ頻段（３３ＧＨｚ至３７ＧＨｚ ）。更高分辨率和更小尺寸的天線有助于性能提升。９４ＧＨｚ頻段導(dǎo)彈正在開發(fā)。

３ ）向高頻擴(kuò)展頻率覆蓋范圍。傳統(tǒng)電子戰(zhàn)系統(tǒng)運(yùn)行于２ＧＨｚ 至 １８ＧＨｚ 之間，涵蓋 Ｓ 波段、Ｃ 波段、 Ｘ波段和 Ｋｕ波段。隨著探測距離的增加，偵聽電子 設(shè) 備 也 將 增 加。由 于 工 作 在 ２８ ＧＨｚ 和 ３９ＧＨｚ頻率的５Ｇ 設(shè)備可能與用于導(dǎo)彈制導(dǎo)的 Ｋａ頻段重疊，為了減少信道沖突，電子戰(zhàn)系統(tǒng)提出了新的擴(kuò)展頻率覆蓋范圍———從２４ＧＨｚ到４４ＧＨｚ 。帶寬增加和頻率提高將有利于開發(fā)更多的性能更高的軍用電子設(shè)備。

４．２　 重點(diǎn)目標(biāo)

ＤＡＲＰＡ?。停桑模粒?計劃目的是開發(fā)毫米波頻率的單元級數(shù)字波束成形陣列，實(shí)現(xiàn)頻率敏捷的多波束網(wǎng)絡(luò)，減少網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)時間，并提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。項目將把先進(jìn)射頻和混合信號 ＣＭＯＳ　ＡＳＩＣ 設(shè)計、化合物半導(dǎo)體器件和異構(gòu)集成方面的研究進(jìn)展結(jié)合在一起，研制用于航空航天和國防應(yīng)用的薄型數(shù)字相控陣。技術(shù)領(lǐng)域 １ （ ＴＡ１ ）（計劃研制時間 ２０１８ 年 ～２０２１ 年）：研 制 寬 帶 毫 米 波 數(shù) 字 “瓦 片”。除 了 在ＴＡ１ 中開發(fā)這個核心構(gòu)建模塊之外，還開發(fā) Ｔ ／ Ｒ組件，包括低噪聲放大器（ ＬＮＡ ）、 ＰＡ 、 Ｔ ／ Ｒ 開關(guān)和輻射元件，同時開發(fā)封裝和熱管理基礎(chǔ)設(shè)施、用于數(shù)字波束成形的計算資源。項目完成目標(biāo)是多于 ２５６個單元的樣機(jī)系統(tǒng)。技術(shù)領(lǐng)域 ２ （ ＴＡ２ ）（計劃研制時間 ２０１８年 ～２０２２年）：利用 ＴＡ１團(tuán)隊開發(fā)的“瓦片”研制寬帶毫米波孔徑。技術(shù)領(lǐng)域３ （ ＴＡ３ ）（計劃研制時間２０１８年 ～２０２１年）：毫米波陣列基礎(chǔ)研究，解決數(shù)字和混合波束成形中的基礎(chǔ)技術(shù)創(chuàng)新。

４．３　 研究進(jìn)展

Ｎｏｒｔｈｒｏｐ　 Ｇｒｕｍｍａｎ和Ｊａｒｉｅｔ技術(shù)公司合作開發(fā) ＭＩＤＡＳ項目中的１８～５０ＧＨｚ可擴(kuò)展數(shù)字相控陣，其 他 參 研 公 司 包 括 Ｑｏｒｖｏ 、 Ｍｉｃｒｏｓｓ 、 ＴｏｗｅｒＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ和 Ｐｒｏｔｏｌａｂｓ 。ＭＩＤＡＳ參研公司分工圖如圖１３所示。ＮｏｒｔｈｒｏｐＧｒｕｍｍａｎ計劃用裸芯片３Ｄ 堆疊和 ＴＳＶ 垂直互連實(shí)現(xiàn)異構(gòu)集成。堆疊器件包括３Ｄ 打印的輻射器、兩個為輻射器創(chuàng)建平衡結(jié)構(gòu)的硅饋電板、一個砷化鎵 Ｔ ／ Ｒ　ＭＭＩＣ層、一個 ＳｉＧｅ?。遥疲桑?層和一個 ＣＭＯＳ 瓦片層。數(shù)據(jù)和電源從 硅 中 ＴＳＶ 進(jìn) 入 ＣＭＯＳ ，輸 出 信 號 則 進(jìn) 入ＳｉＧｅ?。拢椋茫停希印。遥疲桑?。該 ＲＦＩＣ為 ＧａＡｓ　ＭＭＩＣ提供偏置分配、控制、測試和校準(zhǔn)射頻分配。砷化鎵Ｔ ／ Ｒ?。停停桑脤邮牵感诺浪姆种粓A片，它通過倒裝芯片鍵合與 ＳｉＧｅ　ＩＣ 互連， ＳｉＧｅ　ＩＣ 是砷化鎵 Ｔ ／ ＲＭＭＩＣ層和 ＣＭＯＳ瓦片之間的有源插接器。第二階段中，由 Ｊａｒｉｅｔ設(shè) 計 的 ＴＡ１ 數(shù) 字 瓦 片 將 取 代ＣＭＯＳ瓦片，并與陣列的其他部分集成。還需要研究多種合金性質(zhì)、鍵合和溫度特性，保證組裝過程穩(wěn)定。

ＴＡ１混合信號 ＡＳＩＣ由Ｊａｒｉｅｔ公司開發(fā)，采用Ｇｌｏｂａｌ?。疲铮酰睿洌颍椋澹?公 司 １２ ｎｍ?。疲椋睿疲牛?（ １２ＬＰ ）ＣＭＯＳ工藝，在數(shù)字和模擬／射頻性能之間取得了良好平衡，是一種極其省電和緊湊的混合信號和數(shù)字設(shè)計方案。高效的邏輯對于實(shí)現(xiàn)數(shù)字降頻／升頻器 （ ＤＤＣ ／ ＤＵＣ ）模塊，以及數(shù)字波束成形功能十分重要。為了實(shí)現(xiàn)具有８個收發(fā)器通道的四分之一“測試瓦片”方案，采用了 ６ＧＨｚ 的高 － 中頻頻率范圍，且 ＡＤＣ 在第二奈奎斯特區(qū)的采樣率為 ８ＧＳ ／ ｓ 。發(fā)送路徑采用 ＤＡＣ ，使用回補(bǔ)（ ＲＴＣ ）或混合模式波形，在第二奈奎斯特區(qū)將信號能量最大化。雖然第一階段目標(biāo)是達(dá)到２００ＭＨｚ帶寬，但Ｊａｒｉｅｔ的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計實(shí)現(xiàn)了４ＧＨｚ的奈奎斯特帶寬，從而減輕了實(shí)現(xiàn)第二階段目標(biāo)的難度。

迄今為止，參研公司已經(jīng)使用兩個不同的最先進(jìn)ＣＭＯＳ工藝、３Ｄ 打印寬掃描和寬帶輻射器、 ＩｎＰＨＢＴ ／ ＨＥＭＴ和 ＧａＡｓ?。穑龋牛停缘驮肼暦糯笃骱透吖β史糯笃?、低損耗 Ｔ ／ Ｒ 開關(guān)，開發(fā)了多信道收發(fā)器 ＡＳＩＣ 。Ｎｏｒｔｈｒｏｐ　 Ｇｒｕｍｍａｎ為 ＴＡ２孔徑研究采用了凹槽天線陣列，它們是用立體光刻技術(shù)（ ＳＬＡ ）３Ｄ打印的，然后進(jìn)行銅金屬化。開發(fā)了使用芯片堆疊、銅柱、焊接凸點(diǎn)和分布層的先進(jìn)封裝技術(shù)，將所有組件集成在管殼中。完成樣機(jī)將是一個可擴(kuò)展的２５６ 個天線單元的毫米波天線“瓦片”相控陣，達(dá)到在戰(zhàn)術(shù)防御平臺和低軌衛(wèi)星中使用大型相控陣進(jìn)行通信的目標(biāo)。

圖 １３　ＭＩＤＡＳ分工圖

總 結(jié)

建設(shè)下一代高速泛在、集成互聯(lián)、智能綠色、安全可靠的大容量通信網(wǎng)絡(luò)將依賴于半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新和突破的推動作用。毫米波無線通信是實(shí)現(xiàn)信息和通信技術(shù)長期可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)，目前正在艱難地攻克前所未有的技術(shù)挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)在很大程度上源于半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展正在逼近其基本極限，這為信息處理、通信、存儲、傳感和驅(qū)動所賴以維系的能源效率的更新?lián)Q代帶來了阻礙。我國毫米波技術(shù)發(fā)展應(yīng)該形成在政府支持下的、以應(yīng)用為導(dǎo)向的產(chǎn)學(xué)研各界共同努力的局面，充分利用多學(xué)科研究成果，開展包括基礎(chǔ)研究的各種研究，在系統(tǒng)、材料、架構(gòu)、電路、器件和軟件領(lǐng)域協(xié)同開發(fā)，取得突破性進(jìn)展，最終達(dá)到期望的發(fā)展目標(biāo)。

編輯：黃飛

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