近日，華為首款毫米波AI超感傳感器正式亮相，據(jù)傳蘋果自研的毫米波射頻RF芯片也已完成設計，代號Turaco。聯(lián)發(fā)科與電信龍頭中華電信于7日宣布合作，攜手于聯(lián)發(fā)科新竹的研發(fā)總部打造5G毫米波芯片測試環(huán)境。

　　由于毫米波具有傳輸速率高、工作帶寬大、待用空間廣的三大優(yōu)勢，能夠更好滿足AR、VR、智能物聯(lián)系統(tǒng)等新興領域的性能需求。各大廠商開始專注于對毫米波芯片的研究。

　　什么是毫米波芯片

　　毫米波是指頻率在30GHz-300GHz之間的電磁波，因其波長在毫米級而得名。較于6GHz以下頻段，毫米波頻段擁有豐富的頻譜資源，在載波帶寬上具有巨大優(yōu)勢，可實現(xiàn)400MHz和800MHz的大帶寬傳輸，通過不同運營商之間的共建共享，實現(xiàn)超高速率的數(shù)據(jù)傳輸。同時，毫米波波長短，所需元器件尺寸較小，便于設備產(chǎn)品的集成化和小型化，符合當下終端市場的主流需求。

　　毫米波芯片則是能夠實現(xiàn)在毫米波頻段進行信號收發(fā)的IC器件。由于毫米波相控陣芯片集成了毫米波技術和相控陣原理，技術難度高，在過去主要應用在軍工領域。得益于5G、6G通訊的快速迭代，毫米波才得以打開民用市場，成為全球通信產(chǎn)業(yè)的一大發(fā)展方向。Yole預計，到2026年，AiP和毫米波前端模塊市場價值將達到27億美元。

　　傳統(tǒng)的毫米波單片集成電路主要采用化合物半導體工藝，如砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等，其在毫米波頻段具有良好的性能，是該頻段的主流集成電路工藝。另一方面，近十幾年來硅基(CMOS、SiGe等)毫米波亞毫米波集成電路也取得了巨大進展。

　　GaAs和InP毫米波芯片

　　InP材料具有電子遷移率高和漂移速率大的特點，是實現(xiàn)毫米波電路和太赫茲電子器件穩(wěn)定運行的主要選擇。InP基器件具有高頻、低噪聲、高效率、抗輻照等特點，成為W波段以及更高頻率毫米波電路的首選材料。

　　以GaAs為代表的化合物半導體器件在高頻、高速、高帶寬以及微波毫米波集成電路中具有明顯的優(yōu)勢。目前，以砷化鎵(GaAs)為代表的化合物半導體高頻器件及電路技術已經(jīng)進入了成熟期，已被大量應用于高頻通信領域，尤其是移動通信和光纖通信領域。

　　第二代半導體GaAs和InP制作的毫米波5GPA優(yōu)于硅基CMOS制作的產(chǎn)品，并且可以集成到用于移動設備和5G小電池的射頻模塊中。

　　GaN毫米波芯片

　　氮化鎵(GaN)作為第三代寬禁帶半導體的代表，具有大的禁帶寬度、高的電子遷移率和高介電強度等優(yōu)點，可以廣泛應用于微波毫米波頻段的尖端軍事裝備和民用通信基站等領域。

　　到2026年，在5G毫米波RFIC市場中，RF收發(fā)器和RFFE可能分別達到104億美元和235億美元的TAM。

　　日本Eudyna公司報道了0.15nm柵長的GaN功率器件，在30GHz功率輸出密度達13.7W/mm。美國HRL報道了多款E波段、W波段與G波段的GaN基器件，W波段功率密度超過2W/mm，在180GHz上功率密度達到296mW/mm。

　　硅基毫米波芯片

　　由于硅工藝在成本和集成度方面的巨大優(yōu)勢，硅基毫米波集成電路的研究已成為當前的研究熱點之一。

　　在國家973計劃、863計劃和自然科學基金等的支持下，已快速開展研究并取得進展。東南大學毫米波國家重點實驗室基于90nm CMOS工藝成功設計了Q、V和W頻段放大器、混頻器、VCO等器件和W波段接收機、Q波段多通道收發(fā)信機以及到200GHz的CMOS倍頻器和到520GHz的SiGe振蕩器等器件。

　　毫米波芯片與6G關系

　　雖然目前的Sub-6GHz頻段經(jīng)過一段時間的發(fā)展，可利用的空間相對飽和，但毫米波頻段的可利用空間相對更多，受到的干擾也更少。

　　5G毫米波芯片組包括基帶處理器/調(diào)制解調(diào)器和RFIC組件(例如RF收發(fā)器和RF前端)。由于支持5G毫米波的智能手機和其他消費類設備的可用性不斷提高，移動設備成為毫米波5G芯片組市場的主要貢獻者，到2026年，5G毫米波基帶處理器的安裝數(shù)量將達到38億。

　　三星已完成尖端mmWave射頻電路(RFIC)和數(shù)位/類比前端(DAFE)ASIC的開發(fā)，將支援28GHz和39GHz頻段的應用;2020年，高通發(fā)布了第三代5G調(diào)制解調(diào)器到天線的解決方案--驍龍X60。驍龍X60使用5nm制程的5G基帶，同時也支持毫米波和Sub-6GHz聚合的解決方案。

　　任正非曾表示：“華為在5G技術方面的成功，是因為押中厘米波;而6G的毫米波是大方向?！?/p>

　　6G網(wǎng)絡將支持更高的峰值速率和業(yè)務容量，以及低于10厘米的高精定位精度和微米級的傳感分辨率。毫米波提供大的帶寬，可以有效提升空間和距離的分辨率。在未來互聯(lián)網(wǎng)的感知和融合中，毫米波將發(fā)揮重要的作用。

　　毫米波芯片瓶頸

　　因為毫米波頻率高，具有分布式參數(shù)，本質(zhì)是從“路”向場演變，其設計工藝和測試都更復雜。

　　一是，毫米波頻率使設計和測試比6GHz以下的射頻測試更加困難。

　　信號路徑損耗和阻抗失配在較高頻率下被放大，并可能極大地影響信號保真度。6GHz的接口板在電纜、PCB和接觸器接口之間的總損耗將小于3到5dB，而設計為在40GHz下工作的接口板在相同的信號鏈上的損耗將增加2到4倍。

　　這導致精確校準變得更加困難，而且校準漂移更快，對測試結果產(chǎn)生影響。

　　大容量硅芯片首次將毫米波測試帶入ATE世界。以前的測試是使用臺式設備完成的，無法應對未來需要的數(shù)量。這促進了高頻射頻功能的重大發(fā)展，可以提供經(jīng)濟生產(chǎn)所需的成本和吞吐量。

　　對于生產(chǎn)測試，目標是高速進行足夠好的測量，保持高吞吐量。這意味著與傳統(tǒng)上以較低數(shù)量完成的權衡非常不同。

　　雖然雷達芯片可能有1到3或4條線路，但5G芯片將有30條線路。業(yè)內(nèi)人士表示：“以5G手機可能具有的容量，他們希望一次測試四個或八個，所以現(xiàn)在我們談論的是超過200毫米波線，而在此之前他們沒有進行任何測試?！?/p>

　　二是，高頻段毫米波芯片的設計成本更加昂貴。

　　頻段越高的毫米波雷達芯片，對晶體管的截止頻率要求也越高，從而需要更先進的工藝節(jié)點，成本也愈加昂貴。例如，65nm的CMOS工藝截止頻率Fmax可到300GHz，足夠用于設計工作在60GHz或77GHz的雷達前端電路。若將工作頻率提高到140GHz，那么使用65nm工藝的設計難度將急劇提高。頻率越高，封裝的信號完整性要求越高，封裝的成本也越高。毫米波雷達芯片最終的頻段選擇，需要在這些因素中折中考慮。

　　中國毫米波芯片現(xiàn)狀

　　從全球市場看，市面上已有多款與毫米波技術相關的5G芯片。英特爾(Intel)于2017年11月發(fā)布了XMM80605G多?；鶐酒撔酒瑫r支持6GHz以下頻段和28GHz毫米波頻段。高通已經(jīng)能夠提供商用的毫米波終端芯片X50和X55，天線模組QTM525。

　　我國5G毫米波產(chǎn)業(yè)鏈成熟度落后于5G低頻，也落后于美國、歐洲等國際先進水平。表現(xiàn)在毫米波設備形態(tài)單一、功能和性能尚不滿足5G組網(wǎng)需求，以及5G毫米波芯片和終端型號較少、覆蓋種類和形態(tài)不夠豐富這幾個方面。

　　其中，阻礙因素主要來自于高頻器件，主要包括：高速高精度的數(shù)模及模數(shù)轉換芯片、高頻功率放大器、低噪聲放大器、濾波器、集成封裝天線等等。

　　政策方面，去年11月，工業(yè)和信息化部批復組建國家5G中高頻器件創(chuàng)新中心。中心圍繞5G中高頻器件領域重大需求，聚焦新型半導體材料及工藝、5G中高頻核心器件、面向射頻前端的硅基毫米波集成芯片等三大研發(fā)方向，支撐我國5G中高頻器件產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。

　　高校方面，清華大學集成電路學院已經(jīng)研制出采用65nmCMOS工藝研制了應用于衛(wèi)星通信的毫米波Ka頻段射頻前端芯片，在單個芯片上集成了8個接收通道或8個發(fā)射通道(如圖1所示)，單通道發(fā)射輸出功率超過12.71dBm，移相精度達到6bit，幅度控制精度達到5bit，單發(fā)射通道功耗為302mW。

　　杭州電子科技大學自主研發(fā)E波段毫米波芯片已實現(xiàn)商業(yè)化，曾于2018年在德國電信的外場實驗中，成功實現(xiàn)全世界首個高階毫米波外場驗證，速率達到70GBps。還在為5G毫米波移動基站樣機射頻芯片的商業(yè)招標中，擊敗Macom/Triquint/Gotmic等國際大廠，正式成為華為5G通信供應商之一。

　　中國電科38所發(fā)布了一款高性能77GHz毫米波芯片及模組，其發(fā)布的封裝天線模組包含兩顆38所自研77GHz毫米波雷達芯片，該芯片面向智能駕駛領域對核心毫米波傳感器需求，采用低成本CMOS(互補金屬氧化物半導體工藝)，單片集成3個發(fā)射通道、4個接收通道及雷達波形產(chǎn)生等。

　　企業(yè)方面，和而泰的子公司鋮昌科技是國內(nèi)微波毫米波T/R芯片領域，除少數(shù)國防研究所之外掌握核心技術的民營企業(yè)。

　　2018年和而泰收購鋮昌科技正式進軍毫米波射頻芯片，和而泰能夠向市場提供基于GaN、GaAs和硅基工藝的系列化產(chǎn)品，主要包含功率放大器芯片、低噪聲放大器芯片、模擬波束賦形芯片及射頻開關芯片等。產(chǎn)品已應用于通信、導航、探測、遙感、電子對抗等領域。5G基站用射頻芯片目前已完成芯片研制工作;衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)射頻芯片已小批量交付。

　　上海矽杰微電自2016年從上海微技術工業(yè)研究院孵化獨立以來，一直致力于毫米波雷達芯片的開發(fā)，深耕毫米波雷達傳感器在消費領域、工業(yè)領域、以及汽車領域中應用落地。于2017年開發(fā)出國內(nèi)第一顆具有自主知識產(chǎn)權的高集成度24GHz雷達SoC，目前已擁有一系列的24GHz和77GHz的毫米波雷達芯片。

　　亞光科技《5G毫米波通信多功能芯片研究》項目是四川省重大科技專項，公司用于通信的毫米波功率放大器已研制成功。

　　盛路通信研發(fā)了在國內(nèi)技術領先的28G、64單元毫米波有源相控陣，并且在39G、60G以及80G做了相應的陣列天線開發(fā)。

　　中興通訊基于RIS毫米波的探索，6G方面，當前中興通訊基于RIS毫米波，進行了RIS的街區(qū)覆蓋場景的探索。試驗表明，無RIS的場景，會限制有效覆蓋范圍，而增加了RIS的情況下，覆蓋范圍得到了增強和擴展。

　　微遠芯微研發(fā)毫米波雷達芯片及微系統(tǒng)技術，其主要產(chǎn)品為SiCMOS毫米波雷達SOC芯片、IoT低功耗射頻收發(fā)器芯片、GSM/TD-SCDMA終端功放芯片。

　　問智微研發(fā)微波毫米波系統(tǒng)級芯片(SoC)，主要產(chǎn)品包括77GHz汽車雷達收發(fā)機射頻前端套片、60GHz硅基SoC收發(fā)芯片、122GHz混合信號雷達SoC(也稱太赫茲混合信號雷達SoC)、微波毫米波收發(fā)機SoC;5G移動通訊28GHz相控收發(fā)機前端套片等微波毫米波收發(fā)機相控多功能芯片。

　　隨著5G的逐漸普及，6G、衛(wèi)星通信也開始慢慢走入大眾的視線。毫米波作為其中的主要角色絕不會缺席。但毫米波仍面臨諸多挑戰(zhàn)。中國移動研究院無線與終端技術研究所所長丁海煜認為，5G毫米波面臨的挑戰(zhàn)，一是網(wǎng)絡性能不夠成熟;二是成本不夠低;三是網(wǎng)業(yè)協(xié)同不夠深;四是端到端的標準化不夠快。

　　做好5G才能做好6G，毫米波的發(fā)展還需要加強產(chǎn)學研合作，共同推動毫米波產(chǎn)業(yè)成熟。