尽管目前已经有一些5G晶片陆续出现了, 但究竟要采用什么制程技术来生产功率放大器(PA)和相控阵列天线, 至今仍不明朗. 针对PA, 参与 '智能型手机的毫米波无线: 在未来2, 5, 10年…' (mmWave Radios in Smartphones: What they will look like in 2, 5, 10 years)专题讨论的成员们讨论了所谓的 'IV族' 制程———如硅晶CMOS和锗, 以及 'III-V族' 制程¬¬——包括磷化铟(InP), 砷化镓(GaAs)等. IV族是指周期表(Periodic Table)中第14行的元素, 而III-V族则是第13和15行的元素.
美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology; NIST)电子工程师的Dylan Williams, 国家仪器(NI)研发工程师Amarpal Khanna是这场专题讨论的主持人. Williams指出, 磷化铟在高频(此处指mmWave频段)方面的性能超越CMOS PA, 而CMOS则在6GHz以下胜出. 但是, 美国哥伦比亚大学(Columbia University)电子工程副教授Harish Krishnaswamy则表示, 相较于CMOS制程, 采用III-V族制程打造的电路更加高效. 此外, Lockheed Martin技术长Deveraux Palmer补充说, '当今的III-V族制程也无法在高速下进行切换, ' 导致其用途受限.
不过, Williams问道: '效率那么重要吗? ' 症结就在于手机的续航力必须能在每次充饱后至少撑1天半, 让使用者就算晚上睡觉前忘记为手机充电, 第二天手机仍能正常使用或到了早上才充电.
'6GHz以上频率需要一些技术突破. ' MACOM副总裁兼首席架构师Anthony Fischetti在稍后的简报中表示: 'III-V制程与CMOS不同, GaAs在6GHz以下频率的功率太大了. ' Fischetti解释了他的公司MACOM如何因应这些不同制程的作法. 例如, MACOM目前正与意法半导体(STMicroelectronics; ST)合作, 使用硅基氮化镓(GaN)制程制造射频(RF)元件. 虽然目前这一制程可行, 但所需要的生产数量仍不符实际. 所需要的设备不是无法取得就是极其昂贵. 他指出, 以MACOM目前晶圆厂日以继夜运转来看, 每周可制造大约5万片CMOS晶圆. 而如果以当今所能取得的设备制造GaN (III-V)晶圆, 该公司大概要花一个月的时间才能生产出相同的量. '采用III-V制程的晶圆厂必须改变, 才能尽快达到今日CMOS制程的规模. '
Fischetti还指出, III-V制程要在经济上可行, 就不能有重制晶圆(reworked wafer). 品质必须成为制程的一部份. 此外, 还必须使用光学微影技术拍摄各层影像至晶圆上. 电子束(e-beam)微影技术的速度太慢了. III-V制程的另一个问题是在无层室中不能出现任何金元素, 员工也不能配戴金表和含金的珠宝等.
5G除了将带来制程问题, 还存在着测试挑战. 在这场专题讨论上, Maja Systems技术长Loy Laskar表示, 大约有80-90%的材料清单(BOM)成本可能都来自IC组装和测试.
尽管为军事应用打造的测试IC和系统采用特殊制程, mmWave频谱和相控阵列天线, 但其数量并不多, 但这种测试在针对具有庞大数量需求的消费装置则相当具有挑战性. NI RF行销副总裁Charles Schroeder, 是德科技(Keysight Technologies)全球5G专案经理Roger Nichols强调了几项5G测试挑战, 其中最明显的要算是必须采用空中传输(OTA)进行测试. 透过OTA能够探测到具有高整合元件(PA与相控阵列天线)的mmWave系统. 但OTA测试确实会对生产测试时间造成影响, 而且, 测试设备必须有能力处理这些工作负载.
Schroeder指出, 处理mmWave频率带来的更大频宽讯号, 需要庞大的运算能力, 以及大量的时间. 目前, 测试工程师并不知道他们是否需要PC级的处理器, FPGA或GPU来处理讯号. 这需要对于目前处理无线讯号的方式进行一些反思.
其他问题则来自于高频宽. 因为频宽相当宽——可能是100MHz, 传输路径的阻抗可能会有所不同. 测试系统必须知道这一点并相应地进行补偿.
Nichols进一步讨论测试问题, 并指出近场和远场测量的问题. '远场的OTA测试可能被认为比近场更困难. 然而, 二者其实存在着折衷. 在远场, 电磁场的表现更好. 例如, 此时更接近于典型定义的垂直E场, H场和波印廷(Poynting)向量. 造成远场测试更困难的是讯号损耗以及电波暗室的大小. 而在近场, 其挑战在于取得准确侦测天线行为以及讯号相位与振幅之间的关系. 再者, mmWave的波长短, 由于近场变换至远场(NF/FF)与波长的倒数成正比, 因此, 波长越小, NF/FF转换之间的距离越长. '
Nichols指出: '人们所做的事情是很随机的, 例如移动手机. ' 这种随机的移动并不是什么问题, 因为天线的设计是全向性的. 但是, 为了降低5G的功耗, 相控阵列天线的波束控制将成为常态. 这将迫使测试必须在不同的方向进行, 测试系统必须验证手机, 因为手机会不断地追踪其方向并相应地调整波束. 最重要的是, 必须降低测试的不确定性. Nichols说: '在你能取得验证数字以前, 你无法确定其运作效能如何. '
编译: Susan Hong