5G毫米波前端MMIC的新突破与应用上风

5G毫米波前端MMIC芯片新突破

5G通讯已经成为人们生存的一部分，此中具备高速率、高容量、低延时的5G毫米波徐徐成为关注的重点，基站侧和终端侧的装备（图1）蕴含了巨大的毫米波前端芯片市场，引起了业界广泛的结构和投入。业界为5G毫米波通讯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）和摆设方案，出现百花齐放、各家争鸣的特点。只管云云，5G毫米波摆设由于应用体验差、经济效益低而阻力重重，行业急需一种性能全面优秀且资本实惠的芯片方案和摆设方案来办理5G毫米波通讯的底子芯片困难，以便5G毫米波通讯产生更好的经济效益，更好地满足人们的预期。

图1 5G毫米波链路装备和辐射链路表现图

深圳市晶准通讯技能有限公司面向5G毫米波通讯应用，在5G毫米波MMIC举行了理论探索和产物研制，提出了分身性能、资本以及具备实际财产底子的GaAs基异构芯片方案，即化合物基电路实现完备的射频链路，Si基电路实现控制与能源管理功能。晶准通讯乐成实现了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低落面向5G毫米波通讯和毫米波雷达的化合物基毫米波芯片资本以及尺寸，具有巨大的潜伏经济效益。

晶准通讯的第一次流片就较为乐成地验证了新方案门路的MMIC产物可行性，并向行业同伴和潜伏用户送样。现在所完成验证的产物包罗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，此中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。晶准通讯将5G毫米波干系的产物功能的尺寸低落至现有市场商用产物尺寸的1/10~1/4，将资本做到靠近Si/SiGe基毫米波芯片的资本，同时保持数倍于Si/SiGe基毫米波芯片的性能，突破了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基毫米波芯片在寻常商用范畴显现出绝对的上风。

图2 晶准通讯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）为例分别举行功能模块先容，告急包罗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、汲取链路低噪声放大器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体系中占据至关告急的脚色，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资本、性能以及利用便捷性。

基于产物验证和业界需求，联合TR芯片中的PA功能模块构建了一种双通道PA（图3）。

图3 晶准通讯24-28GHz双通道PA以及输出功率丈量结果

图3表现了双通道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，增益约莫10-15dB，且较为平展。我们还测试了P与P的差别，相差不到0.3dB，表现该PA具有良好的线性特性。该PA（2级）直流偏置不到80mA，在多通道集成芯片中完全满足体系散热要求；焦点电路尺寸不到0.35mm^2，功率密度到达约1W/mm^2。在财产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，险些和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）体系的发射链路，或24GHz雷达体系的发射链路的前置PA。

图4 晶准通讯24-28GHzLNA以及噪声系数丈量结果

图4表现了3级LNA MMIC（与图1中TR芯片中LNA雷同）的照片和丈量噪声系数，在24-28GHz的整个带宽里汲取噪声系数约不到2dB，增益约莫20dB，输出P大于10dBm；焦点电路尺寸不到0.30mm^2。在财产界和学术界的报道中，在划一性能和功能条件条件下，该LNA MMIC的尺寸是现有商用产物尺寸的1/4以下。

该LNA MMIC可以用于5G毫米波（n258）体系的汲取链路，或24GHz雷达体系的汲取链路前置LNA。

图5 晶准通讯24-28GHzHP_SPDT插入消耗丈量结果

图5表现了射频前端的前置开关HP_SPDT（由于尺寸太小，不方便独立成产物）的插入消耗丈量结果，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，该开关接纳了全新的计划，焦点尺寸不到0.15mm^2，发射链路消耗小于0.8dB，汲取链路消耗约1.2dB，隔离度大于25dBc。在财产界和学术界的报道中，该开关为划一性能下最小尺寸。

图6 晶准通讯24-28GHzLP_SPDT插入消耗丈量结果

图6表现了射频前端的小尺寸开关LP_SPDT（由于尺寸太小，不方便独立成产物）的插入消耗丈量结果，焦点尺寸不到0.02mm^2，插入消耗约1.5dB，该开关输入P大于10dBm，隔离度大于20dBc，用于收发链路信号切换。在财产界和学术界的报道中，该开关占用芯片尺寸险些是全部毫米波开关中最小的。

综合上述，晶准通讯实现了基于GaAs工艺的高集成度验证，并验证了高度集成计划下的芯片产物性能。在TR集成芯片中，可表现为发射输出功率大于24dBm，汲取噪声系数约3dB，焦点部分尺寸低于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。与行业中的同功能范例或同应用范例的Si/SiGe基毫米波芯片相比，发射输出功率相对行业Si/SiGe主流芯片产物有4-10dB的提升，汲取噪声有2-3dB的性能提升，而芯片焦点尺寸低于大部分Si/SiGe TR（同功能部分）芯片的尺寸，突破了业界关于GaAs毫米波芯片难以满足毫米波相控阵天线间距的认知，并做到了完全逾越Si基毫米波TR芯片的射频功能和性能集成密度。

晶准通讯将向5G通讯装备商同伴提供集成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大于24dBm，汲取噪声系数小于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芯片被集成表现图

晶准通讯5G毫米波前端芯片的应用上风

为了更直观地分析晶准通讯异构方案在5G毫米波网络摆设中的积极意义，从毫米波通讯的两个维度举行了对比分析：一个是通讯链路（上行链路与下行链路）中的性能收益（图8）；另一个是5G毫米波网络摆设的经济效益（图9）。

图8 差别方案的5G毫米波通讯链路的性能对比

图9 晶准通讯毫米波芯片方案具有的潜伏经济效益

对比分析选择了行业中输出功率本事最高的SiGeBiCMOS毫米波产物（某公司4通道波束赋形芯片：输出功率20dBm）来构建基站装备，同时参考较为良好的Si CMOS芯片构建终端AiP，共同构成业界范例的摆设案列，为组合1；（本文引用的产物来自学术界干系论文（与产物干系联），数据如有错误，接待指正修改。）基于晶准通讯已得到性能验证的产物构建组合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方案摆设的毫米波信号链路在通讯上行链路和下行链路都取得优秀的性能提升，大大提升了毫米波网络摆设的经济效益。

在构建用于5G毫米波通讯的单极化相控阵天线时，对于辐射EIRP为64dBm (P)的基站天线装备，仅须要晶准通讯TR芯片约64通道（对应JC1101芯片约16颗），在大规模量产下，相应的裸片生产资本低于1000元，低于同样性能（EIRP辐射值）下Si/SiGe基工艺的裸片总资本；在基站装备的其他部分，有用天线面积可以缩小至25%（相对Si基毫米波方案的基站），波束算法资本、电源管理资本、能耗也将明显低落。晶准通讯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固性。

如图9所示，从财产底子、最佳能源服从、最小摆设难度、摆设资本等角度看，晶准通讯的芯片方案将成为更为优秀的选择。

综合上述，晶准通讯在毫米波MMIC芯片上的突破将极大地低落5G毫米波基站的资本，为毫米波移动通讯网络的摆设提供明显的经济效益，利于5G毫米波通讯的应用范畴的拓展和大规模摆设。在可预见的未来，毫米波通讯的每比特硬件资本和每比特能耗将低落至现有已摆设网络的1/100以下，并将远低于Sub-6GHz方案。