新突破——国产5G毫米波芯片

2023-02-16 11:26:11 728

5G 通信已经成为人们生活的部分，其中具备高速率、高容量、低延时的5G 毫米波逐渐成为关注的重点，基站侧和终端侧的设备（如图.1）蕴含了巨大的毫米波前端芯片市场，引起了业界广泛的布局和投入。业界为5G 毫米波通信提供了多种芯片方案（GaAs/GaN毫米波前端方案和Si/GeSi基毫米波前端方案）和部署方案，呈现百花齐放、各家争鸣的特点。尽管如此，5G毫米波部署因为应用体验差、经济效益低阻力重重，行业急需要一种性能全面优异且成本实惠的芯片方案和部署方案来解决5G 毫米波通信的基础芯片难题，以便5G毫米波通信产生更好的经济效益，更好的满足人们的预期。

图.1 5G 毫米波链路设备和辐射链路示意图

深圳市晶准通信技术有限公司（以下简称“晶准通信”）面向5G 毫米波通信应用，在5G毫米波MMIC进行了理论探索和产品研制，提出了兼顾性能、成本以及具备现实产业基础的GaAs基异构芯片方案，即化合物基电路实现完整的射频链路，Si基电路实现控制与能源管理功能。晶准通信成功实现了GaAs基工艺的业界最佳的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的降低面向5G 毫米波通信和毫米波雷达的化合物基毫米波芯片成本以及尺寸，具有巨大的潜在经济效益。

晶准通信将成为第一家具备向业界提供5G 毫米波通信高性能基站和终端设备所需的毫米波芯片或AIP模块的公司，其产品组合将支持5G 毫米波网络部署中所有的毫米波链路。

晶准通信的第一次流片就较为成功的验证了新方案路线的MMIC产品可行性，并向行业伙伴和潜在用户送样。目前所完成的产品验证包括5G毫米波TR 前端芯片（如图.2所示）、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，其中5G毫米波TR 前端芯片的尺寸为行业同功能GaAs TR MMIC尺寸的1/4 以下。晶准通信将5G毫米波相关的产品功能的尺寸降低至现有市场商用产品尺寸的1/10~1/4，将成本做到接近Si/GeSi基毫米波芯片的成本，同时保持数倍于Si/GeSi基毫米波芯片的性能，打破了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/GeSi基毫米波芯片在普通商用领域展现出*的优势。

晶准通信将向5G 通信设备商伙伴提供集成4通道、8通道（支持双极化）的5G 毫米波MMIC芯片（如图.2所示）。预期8通道芯片JC1101（如图.2所示）封装尺寸约5*6 mm^2 , 输出功率P-1大于24 dBm , 接收噪声系数小于 3dB ，支持双极化和波束独立赋形。

图.2 8通道芯片JC1101芯片架构与以及TR芯片被集成示意图

晶准通信将向5G 通信终端设备商伙伴提供AIP模组（如图.3所示）。AIP集成变频、波束赋形、天线等功能，增强方案下AIP单通道输出功率P-1大于17 dBm （可支持14 dBm标准方案）, 接收噪声系数小于 3dB ，支持双极化和波束独立赋形。3个AIP模块可以构建支持手机毫米波通信系统。该设计将可提高5G毫米波通信的辐射距离，提高通信容量，并支持能耗优化。AIP的设计值可低于现今N77/79频段功率放大器的功耗，预期提供最高37 dBm 的EIRP值，以及大约-14 dB/K的接收灵敏度，可以适配不同基带。

图.3 AIP模块以及应用于5G 毫米波终端或小基站设备示意图

为了更直观的分析晶准通信异构方案在5G毫米波部署网络中体现的积极意义，在关于毫米波通信的两个维度进行了对比分析：一个是通信链路（上行链路与下行链路）中的性能收益（如图.4所示）；另一个是5G 毫米波网络部署的经济效益（如图.5所示）。

对比分析选择了行业中输出功率能力最高的GeSi BiCMOS 毫米波产品（某公司4通道波束赋形芯片：输出功率20 dBm）来构建基站设备，同时参考较为优秀的Si CMOS 芯片构建终端AIP，共同构成业界典型的部署案列，为组合1；基于晶准通信已获得产品（验证）性能用于构建组合2。（本文对所述参考对象的产品来自学术界相关论文（与产品相关联），数据如有错误，欢迎指正修改。）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.4所示，可见，基于组合2方案部署的毫米波信号链路在通信上行链路和下行链路都取得优异性能提升，大大提升了毫米波网络部署的经济效益。

图.4 不同方案的5G毫米波通信链路的性能对比

在构建用于5G毫米波通信的单极化相控阵天线中，对于辐射EIRP 为64 dBm (P-1) 的基站天线设备，仅需要晶准痛惜TR芯片约64通道（对应JC1101芯片约16颗）, 在大规模量产下，相应的裸片生产成本低于1000 元，低于同样性能（EIRP辐射值）下Si/GeSi 基工艺的裸片总成本；在基站设备的其他部分，有效天线面积可以缩小至25%（相对Si基毫米波方案基站），波束算法成本、电源管理成本、电力能耗也将显著的降低。晶准通信的芯片方案将极大的有利于毫米波信号覆盖的改善和链接稳定性。晶准通信的毫米波AIP模块将满足中终端设备商对成本和应用便利的诉求。

如图.5所示，晶准通信的芯片方案从产业基础、最佳能源效率、最小部署难度、部署成本等角度看，将成为更为优异的选择，在此笔者不进行详细描述。

图.5 晶准通信毫米波芯片方案具有的潜在经济效益

综合上述，晶准通信在毫米波MMIC芯片的产品突破将极大的降低5G 毫米波基站的成本，为毫米波移动通信网络的部署提供具有显著经济效益，利于5G 毫米波通信的应用领域的拓展和大规模部署。在可预见的将来，毫米波通信的每比特硬件成本和每比特能耗将降低至现有已部署网络的1/100以下, 并将远低于Sub-6方案。

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