下周5G毫米波全线爆发

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300366创意信息

8楼的是吧

代码都写错，看来赚晕了，哈哈

集微网消息，据产业链多重信息显示，苹果计划在今年推出多款5G iPhone，但主要也是仅支持6GHz以下频率的5G手机，而支持更高的毫米波频段将会成为5G手机后续的演进方向。

  不过，苹果已经抢先布局。据产业链人士爆料，苹果5G iPhone将自研天线封装（AiP）模块，不再对外采购。要知道，随着5G毫米波技术逐渐使天线小型化成为可能，5G毫米波天线的主流方案会采用AiP方案。
从行业来看，目前高通推出了两款毫米波天线模块，均采用的是AiP天线封装技术。由于高通不单独出售毫米波芯片，除非是高通毫米波AiP整机模块。因而，在高通之外，频频传出苹果将自研AiP天线的消息，也引起业内的广泛关注。
AiP技术成天线封装新趋势

  行业周知，在5G通信时代，对异构集成射频前端模块的需求正在与日俱增，在天线封装技术的演进中，射频元件和天线的整合成为新的方向，因而AiP封装技术逐步成为高级封装和测试行业的关注焦点。
从原理来说，把天线和芯片封装在一起，就叫AiP。AiP就是把一根金属线块通过一种中间体，以及合理的布局，结合到RF Front End模块芯片（RF IC）上去。

  行业人士表示，AiP天线，简单理解的话，就是“天线模块+HDI类载板+IC芯片”。这其中，涉及的三大技术包括天线设计、封装集成结构和材料选择等，这三点与PCB制造工艺的匹配息息相关，其难度在于制造工艺和材料等。
其中，AiP技术的材料大致分为陶瓷、有机材料及环氧模压树脂等，而有机材料LCP以其低介电常数值及低损耗正切等特性，使得天线拥有较小的讯号干扰和较好的传输性，也成为手机天线的首选。
拓墣产业研究显示，随着5G毫米波技术逐渐使天线小型化成为可能，现阶段的5G毫米波天线的主要方案都是采用AiP方案。通过将射频元件与天线整合于一体，再透过LCP材料加以封装，从而实现缩减PCB板面积、缩小天线尺寸、提升手机屏幕的使用面积等性能。
不久前，集微网曾报道过，今年苹果5G iPhone重新用回LCP天线，在价格与品质之间的权衡后，苹果为提升其5G市场的竞争实力，成功将LCP天线扶持“上位”。

  可以说，在天线封装技术的演进中，AiP技术的实现与LCP天线的回归也是相辅相成的，LCP材料的特性，成为AiP技术发展的关键一环。
与此同时，原本在3G/4G领域的传统LDS天线，因传统工艺制程的限制，无法适应毫米波信号的传输要求。特别是国内的传统天线厂商，缺乏先进半导体封装工艺，也面临诸多挑战，目前具备AiP天线的厂商并不多。
国内供应商面临挑战
当前，AiP技术凭借成本、性能与体积优势，实现了天线和射频元件整合的单一封装。这项技术不论终端厂商，还是芯片、射频器件、封测等厂商角度而言，实属一次不错的技术创新。

  据悉，目前芯片厂商Qualcomm和射频厂商Skyworks、Qorvo及封测代工厂如日月光、Amkor等，均选择以AiP技术切入5G通讯市场，在苹果、三星、华为等终端厂商的带动下，AiP封装天线也将迎来行业需求小高峰。
行业人士也表示，从AiP技术的材料端来看，随着5G高频高速的传输需求，LCP天线成为5G手机天线的主流工艺，三星、华为等未来或将大幅采用LCP天线，也为AiP技术的加速应用做了铺垫。
据集微网不完全统计，当前，针对5G的整合射频芯片(RF)与天线的AiP封装模块主要掌握在少数台系、日系及美系厂商中，台厂诸如日月光、台积电等具备5G毫米波集成天线封装模块量产能力。
而在国内市场，在5G毫米波集成天线领域具备工艺实力的莫过于环旭电子、硕贝德、信维通信等。

  据悉，去年中芯长电联合天线方案提供商硕贝德研发的世界首个超宽频双极化的毫米波AiP天线。据悉，该产品采用了基于inFO封装Smart  AiP工艺技术，可达到12.5dbm的超高天线增益，具有适合智能手机终端对超薄厚度要求等优势。

  同时，硕贝德在互动平台表示，其AiP天线相关技术指标已满足相应的测试要求，后续能否产业化并获得客户订单受市场需求等因素的影响具有不确定性。
  环旭电子也表示，SiP的行业领先厂商，产品广泛应用SLP技术，AiP也是公司重点发展的产品。应对5G时代的到来，公司已布局通讯模组产品、手持智能终端产品的研发，能够满足客户产品技术升级的需要。
综上来看，未来天线设计的重要趋势，需要适用于微波、毫米波等射频前端电路的集成和封装，AiP技术的出现就顺应了这种应用需求。但基于工艺制程、材质等因素，5G毫米波AiP天线模块的成本也势必高企，国内相关供应商如何在5G时代切入AiP天线市场，可谓道阻且长。 
       

AiP封装技术促进我国的5G毫米波商用进程 


近日，南京网络通信与安全紫金山实验室研发团队已成功研制CMOS毫米波全集成4通道相控阵芯片，并完成了芯片封装和测试，每通道成本可由1000元降至20元;同时，其封装集成了1024通道天线单元的毫米波大规模有源天线阵列，有望2022年规模商用于5G系统。中国工程院院士刘韵洁表示，这是我国5G毫米波芯片的重大突破，先前毫米波芯片的缺失将部分制约我国5G的发展。那么，长时间以来是什么影响了毫米波的商业化进程？开发毫米波有何必要性？对5G规模商用有何意义？
毫米波缘何不是“5G首选”？
从2G到4G，移动通信的频段基本在2.7GHz以下，但当低频段的频谱资源被耗尽时，就只能在高频段获取频谱资源。
5G频段目前分为两部分，一个是FR1（也叫Sub-6GHz），另一个FR2，也就是毫米波。Sub-6GHz具有频率低、绕射能力强、覆盖效果好等优点，是当前5G的主用频谱，在建网初期可以利用旧站址的部分资源实现5G网络的快速部署。
不同于早已被业界熟知的Sub-6GHz频段，FR2这段频谱的电磁波波长大部分都是毫米级别的。赛迪智库无线电管理研究所副所长彭健对《中国电子报》记者表示：“受制于无线电波的物理特性，毫米波的短波长和窄光束特性让信号分辨率、传输安全性以及传输速度得以增强，但也使得传输距离缩减，且信号穿透能力较差，设备造价昂贵且功耗也高，因此国内目前主要以Sub-6GHz频段扩展5G网络。”
谷歌公司对相同范围内、相同基站数量的5G覆盖测试显示，采用毫米波部署的5G网络，100Mbps速率的可以覆盖11.6%的人口，在1Gbps的速率下可以覆盖3.9%的人口;而采用Sub-6GHz频段的5G网络，100Mbps速率的网络可以覆盖57.4%的人口，在1Gbps的速率下可以覆盖21.2%的人口。可以看到，在Sub-6GHz下运营的5G网络覆盖率是毫米波5倍以上，这也让基于毫米波的通信系统难以短时间商用化。
开发毫米波仍十分必要
 

 
这个令人“喜忧参半”的技术为何被行业寄予厚望？据ITU IMT-2020规范要求，5G速度需达到20Gbit/s，因此单靠Sub-6GHz是搞不定的，需要用上毫米波。
毫米波有哪些优势？一是毫米波的频谱丰富，可以搭载的宽带频段范围较广;二是毫米波的传输速率快，最低传输速率可达到10Gbps;三是毫米波的波束较窄，在空间中辨别方向能力强，传输方向性好;四是由于光束窄，基于毫米波制作出来的芯片更易做到小型化;五是毫米波的载波间隔较大，单SLOT周期是低频Sub-6GHz的1/4，空口时延较低，在一些对时延要求较高的场景中大有可为。
一位通信行业专家曾向《中国电子报》记者比喻，Sub-6GHz频段仿佛是拥挤的地铁，Wi-Fi、蓝牙、卫星广播等都“挤”在一起，难免会“打架”。而位于高频段的毫米波拥有大量未被充分利用的频谱资源，就像是无人区飞驰的敞篷跑车，时延低，容量高，可以同时有更多设备连接，因此研发毫米波器件成为未来推动5G发展的方向之一。
毫米波对5G发展的重要性不可言喻。在5G网络领域，移动行业可以利用毫米波无线电频谱为5G网络提供所需要的带宽，以满足高速的移动网络需求。根据GSMA报告，在5G毫米波所带来的创新服务推动下，到2034年中国将占亚太地区2120亿美元经济增长额的53%。
中国移动研究院首席科学家易芝玲表示，毫米波在未来可能会带来室内超高速率数据传输的场景，这样也可能会带来一些上层业务应用的创新，包括基于XR的教育、电影、游戏等业务，相关的产业相应的也会有很大的收益。
GSMA大中华区公共政策总经理关舟表示，只有通过毫米波频谱的使用，中国才能全面释放5G的能力，并由此从工业互联网、娱乐服务和智能交通领域的最高标准以及更好的医疗保健和教育中进一步受益，从而改善居民的生活，并改变其工业并创造更多发展新动能。
彭健指出，Sub-6GHz频段覆盖广，信号强且稳定;而毫米波速度快，时延低，能实现点对点超高速传播，两者各有优势，具体还要看是看哪个更适合运营商建设和使用场地的实际需要。未来毫米波系统可以用于室内场馆及办公区覆盖，也可应用于室外热点覆盖、无线宽带接入等，与Sub-6G协同组成双连接异构网络，实现大容量和广覆盖的有机结合，可见未来市场空间可观。
毫米波技术水平有待加强
“受制于相关器件的成本和技术水平，我国毫米波器件还未实现大规模量产和商用，整个产业仍属于起步阶段。”彭健说。
易芝玲也指出，我国的毫米波相对于低频段，整体产业链完善程度还不足够，包括器件的成熟度等，还需要进一步推动整体产业链成熟。中国目前重点关注于Sub-6GHz的5G商用，在这个窗口期，国内的毫米波上下游产业应该尽快积累技术，缩小与国外顶尖水平的差距。
毫米波发展虽面临许多挑战与瓶颈，但是业界均对其发展抱有极大希望。对于5G毫米波系统来说，业界希望将微波器件安装在天线基站背面，这就要求微波芯片的集成度提高，因此，具备经济成本低、高集成度优势的CMOS工业则具备明显优势。
中国工程院院士刘韵洁日前宣布，南京网络通信与安全紫金山实验室已研制出CMOS毫米波全集成4通道相控阵芯片，并完成了芯片封装和测试。据了解，此次封装和测试的全集成4通道相控阵芯片，研发团队通过设计将其每通道成本由1000元降至20元，同时，该实验室封装集成1024通道天线单元的毫米波大规模有源天线阵列，这也将为商用市场提供更强的性能支持。刘韵洁透露，此次封装和测试的芯片与天线阵列有望在2022年商用于我国的5G系统。
业内专家向《中国电子报》记者表示，由于没有披露更多细节，该款芯片是如何实现成本降低90%以上的，还不太好分析。但该款芯片将毫米波天线与毫米波芯片封装在一起，采用了AiP封装技术，在某种意义上有利于促进我国的5G毫米波商用进程，对国内其他5G毫米波商用技术的研发奠定了一定基础，国内运营商也可将5G毫米波传输技术与Sub-6GHz良好结合。

为什么5G要使用毫米波？
根据3GPP 38.101协议的规定,5G NR主要使用两段频率:FR1频段和FR2频段。FR1频段的频率范围是450MHz——6GHz,又叫sub 6GHz频段;FR2频段的频率范围是24.25GHz——52.6GHz,人们通常叫它毫米波(mmWave)。

有人认为,毫米波(mmWave)只能指EHF频段,即频率范围是30GHz——300GHz的电磁波。因为30GHz电磁波的波长是10毫米,300GHz电磁波的波长是1毫米。24.25GHz电磁波的波长是12.37毫米,可以叫它毫米波,也可以叫它厘米波。但是实际上,毫米波只是个约定俗成的名称,没有哪个组织对其有过严格的定义。有人认为,频率范围在20GHz(波长15毫米)——300GHz之间的电磁波都可以算毫米波。
  在很长一段历史时期,毫米波段属于蛮荒之地。为什么呢?原因很简单,因为几乎没有电子元件或设备能够发送或者接收毫米波。为什么没有电子设备发送或者接收毫米波?有两个原因。第一个原因是,毫米波不实用。虽然毫米波能提供更大的带宽,更高的数据速率,但是以前的移动应用不需要这么大的带宽和这么高的数据速率,毫米波没有市场需求。而且毫米波还有一些明显的限制,比如传播损耗太大,覆盖范围太小等等。第二个原因是,毫米波太贵。生产能工作于毫米波频段的亚微米尺寸的集成电路元件一直是一大挑战。克服传播损耗、提高覆盖范围也意味着大把的金钱投入。但是,近十几年以来,一切都改变了。
  随着移动通信的飞速发展,30GHz之内的频率资源几乎被用完了。各国政府和国际标准化组织已经把所有的“好”频率都分配完毕,但还是存在频率短缺和频率冲突。4G蜂窝系统的发展以及即将到来5G都依赖于合适的频率分配。问题是,几乎没剩下什么频率了。现在,频率就像房子,可以用一个字来形容,“贵”!对房子来说,第一是地段,第二是地段,第三还是地段。这样的描述同样适用于无线频率。
  毫米波就像美洲新大陆,给移动用户和移动运营商提供了“无穷无尽”的频率资源。你可以把现在我们使用的所有sub 30GHz频段填到毫米波段的低端区域,还有至少240GHz的空闲频率。
  毫米波带来了大带宽和高速率。基于sub6GHz频段的4G LTE蜂窝系统可以使用的最大带宽是100MHz,数据速率不超过1Gbps。而在毫米波频段,移动应用可以使用的最大带宽是400MHz,数据速率高达10Gbps甚至更多。
  需求总是创新的最大动力。生产出价廉物美的毫米波频段集成电路元件的技术难题迅速被攻克。通过使用SiGe、GaAs、InP、GaN等新材料,以及新的生产工艺,工作于毫米波段的芯片上已经集成了小至几十甚至几纳米的晶体管,降低了成本。
  现在我们能够随意使用20GHz到300GHz之间的任意毫米波吗?还不是。有人把常用的毫米波段分成四段:Ka波段26.5GHz~ 40GHz;Q波段:33GHz~50GHz;V波段:50GHz~70GHz;W波段:75GHz~ 110GHz。3GPP协议38.101-2 Table 5.2-1为5G NR FR2波段定义了3段频率,分别是:n257(26.5GHz~29.5GHz),n258(24.25GHz~27.5GHz)和n260(37GHz~40GHz),都使用TDD制式。美国FCC则建议5G NR使用以下频段:24-25 GHz (24.25-24.45/24.75-25.25 GHz)、32GHz (31.8-33.4 GHz)、42 GHz (42-42.5 GHz)、48 GHz (47.2-50.2 GHz)、51 GHz (50.4-52.6GHz)、70 GHz (71-76 GHz)和80 GHz(81-86 GHz),同时建议研究用高于95GHz的频率来承载5G。
  为什么不能随意使用毫米波频率呢?除了规模化经济效益的考虑之外,毫米波中有些频率的“地段”特别差。这里,影响“地段”的因素是空气,所以确切地说应该是这些频率的“天段”特别差。无线电波在传播时,大气会选择性地吸收某些频率(波长)的电磁波,造成这些电磁波的传播损耗特别严重。吸收电磁波的主要是两种大气成分:氧气和水蒸气。水蒸气引起的共振会吸收22GHz和183 GHz附近的电磁波,而氧气的共振吸收影响的是60GHz和120 GHz附近的电磁波。所以我们可以看到,不管哪个组织分配毫米波资源,都会避开这4个频率附近的频段。而高于95GHz的毫米波由于技术上的难度,暂时还不做考虑。
  除了这个只能避开的“天段”因素,毫米波的其它限制我们只能面对,并且想办法克服。否则,毫米波就无法使用。
  最关键的限制之一是毫米波的传播距离实在有限。物理定律告诉我们,在发射功率不变的情况下,波长越短,传播距离越短。在很多场景下,这个限制会导致毫米波的传播距离超不过10米。根据理想化的自由空间传播损耗公式,传播损耗L=92.4+20log(f)+20log(R),其中f是单位为GHz的频率,R是单位为公里的距离,而L的单位是dB。一个70GHz的毫米波传播10米远之后,损耗就达到了89.3dB。而在非理想的传播条件下,传播损耗还要大得多。毫米波系统的开发者必须通过提高发射功率、提高天线增益、提高接收灵敏度等方法来补偿这么大的传播损耗。
  任何事物都有两面性。传播距离过小有时候反而成了毫米波系统的优势。比如,它能够减少毫米波信号之间的干扰。毫米波系统使用的高增益天线同时具有较好的方向性,这也进一步消除了干扰。这样的窄波束天线既提高了功率,又扩大了覆盖范围,同时增强了安全性,降低了信号被截听的概率。
  另外,“高频率”这个限制因素会减少天线的尺寸,这又是一个意外的惊喜。假设我们使用的天线尺寸相对无线波长是固定的,比如1/2波长或者1/4波长,那么载波频率提高意味着天线变得越来越小。比如说,一个900M GSM天线的长度是几十厘米左右,而毫米波天线可能只有几毫米。这就是说,在同样的空间里,我们可以塞入越来越多的高频段天线。基于这个事实,我们就可以通过增加天线数量来补偿高频路径损耗,而又不会增加天线阵列的尺寸。这让在5G毫米波系统中使用massive MIMO技术成为可能。
  克服了这些限制之后,工作于毫米波的5G系统可以提供很多4G无法提供的业务,比如高清视频、虚拟现实、增强现实、无线基站回程(backhaul)、短距离雷达探测、密集城区信息服务、体育场/音乐会/购物中心无线通信服务、工厂自动化控制、远程医疗、安全监控、智能交通系统、机场安全检查等等。毫米波段的开发利用,为5G应用提供了广阔的空间和无限的想象。
  由于3GPP决定5G NR继续使用OFDM技术,因此相比4G而言,5G并没有颠覆性的技术革新,而毫米波差不多就成了5G最大的“新意”。而5G其它新技术的引入,比如massive MIMO、新的numerology(子载波间隔等)、LDPC/Polar码等等,都与毫米波密切相关,都是为了让OFDM技术能更好地扩展到毫米波段。为了适应毫米波的大带宽特征,5G定义了多个子载波间隔,其中较大的子载波间隔(60KHz和120KHz)就是专门为毫米波设计的。前面提到过的massive MIMO技术也是为毫米波而量身定制。因此,5G 也可以被称为“扩展到毫米波的增强型4G”或者“扩展到毫米波的增强型LTE”。
  如果有一天毫米波也拥塞了,移动通信系统该如何拓展新疆域呢?如果波长小于1毫米的话,就进入了光的波段范围(红外波段的波长范围是0.76微米~1毫米)。实验室里已经开发出了100GHz以上的晶体管。但是这种晶体管到300GHz左右就基本上没用了。那么该用什么电子元件呢?红外线工作于150THz~430THz,可见光工作于430THz~750THz,紫外线工作于740GHz以上,激光器件、LED和二极管能够生成和检测到这些光。但是这些器件没法工作于300GHz~100THz的频率范围。这个频率范围目前似乎成了盲区。但是,这个现象是暂时的。只要有需求,新科技和新元器件一定会消除这个盲区。

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