精华|直击毫米波在超高速无线通讯中的应用、设计挑战

2016年12月13日，摩尔直播邀请了“矽说”创始人李一雷给业界朋友分享半导体热点话题：毫米波——超高速无线通讯的灵魂。他从毫米波的定义、优势、应用标准、市场机遇、设计挑战、职位skillset六个方面进行了解说，以下是本次分享的精华总结。

李一雷，在美国UCLA念博士的导师是张懋中教授，而他所在的实验室也是CMOS毫米波领域的先驱者之一，从五六年前就开始在各大会议和期刊上发表毫米波电路和芯片相关的文章，直到最近更是已经开始做太赫兹电路。

【什么是毫米波】

按照标准定义，毫米波是指在真空中波长在1毫米到10毫米之间的电磁波，翻译成频率就是介于30GHz到300GHz之间。为什么要规定在真空中呢？因为电磁波的波长与波导材质是有关的，通常人们都是以真空为标准材质。在其他介质中（例如集成电路的材料硅和二氧化硅），电磁波的频率是不变的，但是常常由于相对介电常数大于一因此光速减慢，从而波长变短。

因此我觉得以频率而不是波长来划分电磁波频谱是一件更精确的办法，因为频率是不会变化的。而且以30-300 GHz来划定毫米波频率并不是一件很准确的事情，比如5G很可能要用到的28GHz频段，到底算不算毫米波？

【为什么要用毫米波】

毫米波最显著的优势就是作为载波可以实现很宽的带宽；第二个特性，就是方向性；第三个特点是天线比较小。

在2G时代载波频率是900MHz，支持的带宽只有几百KHz，后来大家想办法在载波频率变化不大的情况下通过其他通讯工程的手段提高带宽。可以说在4G以及之前的时代，数据率的提高还不一定要靠提高载波频率（毕竟提高载波频率会导致射频前端设计变得困难而且功耗更大，传播损耗也会变大）。但是接下来如果要进一步提高带宽并提高数据率，毫米波就成了一个重要方案了。

【毫米波现在的应用标准】

根据不同的应用，毫米波频段有许多标准。

先来说说现在非常热门的5G应用。我预计毫米波并不会作为5G的大头，而是作为其中的一个补充部分出现，而且是逐渐出现。一方面我们需要考虑5G和旧基站的兼容性，另外毫米波在城市里的信道衰减如何还需要仔细研究。

除了5G以外，另一个应用就是超高速室内WiFi，即802.11ad，又名WiGig。

WiFi一贯使用ISM频段，一开始使用的是2.4GHz频段，之后又使用了5.8GHz频段，接下来很自然地就使用60GHz ISM频率。

除了数据通信 之外，毫米波还可以用在汽车雷达上，也会是将来无人车中的关键技术之一。

【毫米波的未来展望】

对于5G应用，由于考虑基站设备的兼容性问题以及一些信道上还未解决的问题，以及包括手机终端上的普及速度，预计毫米波不会一夜之间就覆盖所有区域，而是会慢慢地普及。由于室外的信道比较复杂，估计会由室内而室外，最先估计会成为shopping mall之类大型设施的快速接入热点，最后在室外也会慢慢用上。

另一个毫米波机会是室内超高速WiFi 802.11ad。这个应用对于企业级应用可能不错，因为不少企业会需要高速无线局域网互联，而802.11ad正好可以满足这个需求。

第三个毫米波机会是汽车雷达，这个应用目前势头很猛，因为毫米波雷达在汽车里普及只是时间问题，谁抓住了先机。

除此之外，毫米波还有一些其他比较小的细分市场，例如用于地铁火车站案件，以及成像等等。

【毫米波设计挑战】

毫米波芯片设计挑战在哪里？显然就是频率高。

首先，电路中很多本来在低频时无需考虑的寄生效应在这个时候都跑出来了，无论是在设计上还是验证上都比原来更费时费力，是一个不小的挑战。

其次，毫米波芯片设计时必须考虑传输线效应，否则有时候你走线不小心弄了个lambda/4 stub，信号就都消失了。

从另一个角度来说，验证毫米波电路需要做很多建模工作，走线稍微长一些都要放到电磁仿真软件里面跑s参数再代入电路仿真，需要花费更多时间。而且，在SoC中毫米波部分和芯片其他部分的串扰如何定量分析并验证也是一个课题。

【毫米波职位需要的skillset】

首先，射频电路和模拟电路的基本概念肯定都需要。毫米波电路可以认为是射频电路的一个分支，基础知识一定是需要的。

除了基础知识之外，需要的技能主要是和电磁波相关。

建议有志于做毫米波的朋友们把Pozar的微波工程研究一下，当然那些圆柱坐标变换之类的就不用看了，但是和传输线相关的以及和微波电路相关的一定要仔细看一下。另外，毫米波设计也可能需要你掌握一些电磁仿真工具的使用，不同的公司可能会用不同的工具，但是原理都是接近的，掌握一个主流工具（例如HFSS）即可。

【互动问答精选】

Q：mm wave雷达的距离是怎么改善？

A：可以改善接收机的灵敏度，发射机的发射功率，或者改善信号处理算法。

Q：毫米波电路设计和rf设计有何差异？”

A：主要要注意传输线效应。基础还是一样的，但是由于毫米波频率很高，波长接近集成电路的器件和走线尺寸，所以要注意传输线效应。

Q：最近看的一本教材中采用40G本振对60G载波做两次下混频，是否直接做60G这么高的VCO极为困难？

A：一方面60GHz的PLL phase noise比较难做好，另一方面频率高了PLL不同级（主要是divider）之间的谐振频率很难控制，导致PLL锁定范围很小

Q：以前做rfic不需要考虑传输线效应么？

A：以前在做RFIC的时候至少在芯片上不需要考虑，在板级设计时才需要仔细考虑传输线。

Q：毫米波天线很有可能是设计在封装之外，我对这块很感兴趣，是否可以提供一些类似的研究模型可以学习一下？

A：确实是有不少研究在做这个，例如TSMC在研究用INFO走线做天线，不好意思手头没有现成的资料，我相信在IEEE Library可以找到不少。

Q：基于SOI或SiGe等工艺开发的射频芯片在5G中的应用?

A：SOI的衬底有绝缘层，无源器件的Q值较好，而且衬底寄生电容较小，适合毫米波开发 但是SOI MOSFET有历史效应，阈值电压会随时间变化。

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