移動通信技術(shù)毫米波系統(tǒng)和器件技術(shù)發(fā)展趨勢

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?） 。現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)遠遠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。當前主要解決方法之一是每隔幾年引入一個新的無線標準來定義新協(xié)議，即采用更復雜的調(diào)制方案，以增加數(shù)據(jù)吞吐量。然而，調(diào)制復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 ）擴展到更寬的頻率范圍內(nèi)來增加其帶寬，當前無線通信的發(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。達到這一目的的主要技術(shù)途徑就是進行半導體技術(shù)創(chuàng)新，開發(fā)毫米波、太赫茲頻段工作的半導體器件、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)展前景的重點技術(shù)。５Ｇ 電信正致力實現(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。軍事應(yīng)用面臨更為復雜的通信環(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。毫米波相控陣在軍用通信、雷達、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

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毫米波技術(shù)趨勢

從當前 國 際 ５Ｇ 技 術(shù) 發(fā) 展 來 看，主 要 國 家 ６ＧＨｚ以下頻段已經(jīng)全面實現(xiàn)商用。無線通信要實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)容量或更高帶寬，主要的著力點是開發(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 ）等國際標準化組織框架，各國代表就 ５Ｇ 毫米波頻譜使用達成共識：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 ）的半導體技術(shù)給予越來越多的關(guān)注。高于９０ＧＨｚ和高達３００ＧＨｚ的頻段也已經(jīng)開始開發(fā)。６Ｇ 網(wǎng)絡(luò)通信頻段將向上擴展至太赫茲頻段并延伸到三維空間，可連接衛(wèi)星、飛機、船舶和陸基基礎(chǔ)設(shè)施，實現(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 。

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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?）來實現(xiàn)相移。圖 ４ （ ａ ）所示為射頻波束成形接收機的一種架構(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)實現(xiàn)方式。優(yōu)勢是實現(xiàn)成本較低、部署簡便，缺點是較難產(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立數(shù)字化后，完全在數(shù)字電路中實現(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，可以同時創(chuàng)建多個波束或在所有方向上進行搜索，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體技術(shù)方案 ?。有各種構(gòu)建相控陣的功能塊和半導體技術(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

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毫米波半導體技術(shù)研究進展

通過半導體技術(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　ＨＢＴ 制作電路。以 ＧａＮ 為代表的寬禁帶化合物材料正在崛起。ＧａＮ 的熱導率與Ｓｉ 相當，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現(xiàn)ＳＯＣ集成。ＳｉＧｅ　ＢｉＣＭＯＳ在單芯片中集成了高性能雙極晶體管和 ＣＭＯＳ 器件，達到 ＧａＡｓ等更昂貴工藝才能實現(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 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　ＳｉＧｅＢｉＣＭＯＳ 。多篇文獻詳細介紹了 ２８ｎｍ 節(jié)點 ＣＭＯＳ技術(shù) 以及該節(jié)點技術(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　６０ＧＨｚ寬帶數(shù)字功率放大器，并達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、遠程汽車雷達、光學ＩＣ 和５Ｇ 毫米波基站。在 ＢｉＣＭＯＳ技術(shù)下，通常將 ＳｉＧｅ　ＨＢＴ 添加到較大尺寸的 ＣＭＯＳ 節(jié)點中，并仔細優(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)復雜性和成本指標之間折中考慮，如表 １ 所示。

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

３．３?。桑?設(shè)計技術(shù)

隨著新工藝的推出，ＩＣ設(shè)計也在不斷演進。ＩＣ設(shè)計人員通過在單個工藝節(jié)點中提供新功能，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)射機的功率效率和整個系統(tǒng)的熱功率預算。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 的 最 大 功 率 輸 出 （ Ｐ ｓａｔ ）、功 率 效 率（ＰＡＥ ）以及天線和發(fā)射機／接收機之間的損耗造成。

圖 １０　 毫米波半導體系統(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 的工作頻率擴展到２００ＧＨｚ ，功率達 ４０ｄＢｍ＠３０％ＰＡＥ 。隨著向更高的毫米波頻段邁進，挑戰(zhàn)將更加嚴峻。

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)計要重點考慮的關(guān)鍵半導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?。茫停希悠骷?，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 達到７００ＧＨｚ，器件性能遠高于 ＣＭＯＳ?。

３．４　 封裝與測試

在過去幾年中，射頻應(yīng)用推動先進電子封裝市場涵蓋了不同行業(yè)。隨著汽車雷達、高端智能手機、ＷｉＧｉｇ 器件等產(chǎn)品的出現(xiàn)，ＲＦ 封裝市場預計將在各個領(lǐng)域都有所增長。預計 ２０２５ 年射頻高級封裝市場將達到 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　ＲＤＬ（ ＲＤＬ即導線重新分布層）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?。桑?）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（包括一些在最先進工藝節(jié)點上開發(fā)的材料）、新封裝方法、天線陣列、 ＳｉＰ 、天線級封裝（ＡｉＰ ）以及毫米波獨有的空口（ ＯＴＡ ）測試。毫米波測試才剛剛起步，電路復雜度高、工藝接入點多，測試、檢測和計量需要耗費更長時間。ＭＩＭＯ 的性能在真實環(huán)境或隔離環(huán)境中測量。測量真實的室內(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)境中進行的，即 ＯＴＡ 測試。ＯＴＡ 測試是毫米波關(guān)鍵要素。文獻描述了不同的 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。

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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)有著強烈的需求。通信、雷達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，實現(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最終目標是開發(fā)出能實現(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 ）運行，帶寬達５ＧＨｚ 。

２ ）更高分辨率和小型化。公開資料顯示，國外戰(zhàn)機雷達多工作在 Ｘ 頻段（８ＧＨｚ至１２ＧＨｚ ），部署和瞄準導彈的雷達系統(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頻段導彈正在開發(fā)。

３ ）向高頻擴展頻率覆蓋范圍。傳統(tǒng)電子戰(zhàn)系統(tǒng)運行于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)備可能與用于導彈制導的 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　 重點目標

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。項目將把先進射頻和混合信號 ＣＭＯＳ?。粒樱桑?設(shè)計、化合物半導體器件和異構(gòu)集成方面的研究進展結(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。項目完成目標是多于 ２５６個單元的樣機系統(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　 研究進展

Ｎｏｒｔｈｒｏｐ　 Ｇｒｕｍｍａｎ和Ｊａｒｉｅｔ技術(shù)公司合作開發(fā) ＭＩＤＡＳ項目中的１８～５０ＧＨｚ可擴展數(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 入 ＣＭＯＳ ，輸 出 信 號 則 進 入ＳｉＧｅ?。拢椋茫停希印。遥疲桑?。該 ＲＦＩＣ為 ＧａＡｓ?。停停桑锰峁┢梅峙?、控制、測試和校準射頻分配。砷化鎵Ｔ ／ Ｒ　ＭＭＩＣ層是８信道四分之一圓片，它通過倒裝芯片鍵合與 ＳｉＧｅ?。桑?互連， ＳｉＧｅ?。桑?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　ＦｉｎＦＥＴ （ 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（ 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。雖然第一階段目標是達到２００ＭＨｚ帶寬，但Ｊａｒｉｅｔ的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計實現(xiàn)了４ＧＨｚ的奈奎斯特帶寬，從而減輕了實現(xiàn)第二階段目標的難度。

迄今為止，參研公司已經(jīng)使用兩個不同的最先進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，然后進行銅金屬化。開發(fā)了使用芯片堆疊、銅柱、焊接凸點和分布層的先進封裝技術(shù)，將所有組件集成在管殼中。完成樣機將是一個可擴展的２５６ 個天線單元的毫米波天線“瓦片”相控陣，達到在戰(zhàn)術(shù)防御平臺和低軌衛(wèi)星中使用大型相控陣進行通信的目標。

圖 １３　ＭＩＤＡＳ 參研公司分工圖

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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)將依賴于半導體技術(shù)創(chuàng)新和突破的推動作用。毫米波無線通信是實現(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)用為導向的產(chǎn)學研各界共同努力的局面，充分利用多學科研究成果，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)，取得突破性進展，最終達到期望的發(fā)展目標。

編輯：黃飛

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