毫米波无线通信半导体器件技术发展趋势

信息时代通信技术所面临的主要问题就是解决海量数据生成与通信容量不足之间的矛盾。预计到２０３２ 年，每年约有 ４５ 万亿个传感器从物理世界中采集巨量模拟信息（等价于 ） 。现有通信网络系统远远不能满足未来对信息传输容量的需求。解决现有无线通信系统数据传输速率低下与信息高生成率之间的巨大差距问题，成为无线通信技术发展的关键点。当前主要解决方法之一是每隔几年引入一个新的无线标准来定义新协议，即采用更复杂的调制方案，以增加数据吞吐量。然而，调制复杂度增加到某种程度不再能显著提高吞吐量，创造新的解决方案已经成为当务之急。

著名的香农 － 哈特利（ Ｓｈａｎｎｏｎ － Ｈａｒｔｌｅｙ ）定理指出，通信系统的容量与带宽呈线性函数关系。为了快速传输更多的数据，理论上可以采用另一种更为长效的 提 高 系 统 吞 吐 量 的 方 法，即 将 调 制 信 号（ＦＢＷ ）扩展到更宽的频率范围内来增加其带宽，当前无线通信的发展主要就是遵循这一思路。目前蜂窝网络的许可运行频段主要在 ６ＧＨｚ 频率以下，可用频谱受到一定限制。顺应趋势要求，运行频谱向更高频段拓展是必然的。毫米波频段（一般指３０～３００ＧＨｚ电磁波频段）无线通信具有频谱宽和较强有效视距通信能力，能够大幅提高带宽、数据传输率，以及降低端到端延时，实现通信容量的大幅提升，因而获得了越来越多的关注。更多毫米波高端频段（一般指 ＞６ＧＨｚ频段）被使用，毫米波产业链也快速发展起来。

一般认为第五代移动通信技术（５Ｇ ）将部署电磁频谱的毫米波频段，第六代移动通信技术（６Ｇ ）将开发利用太赫兹（０．１～１０ＴＨｚ ）频段。５Ｇ和６Ｇ 回程数据容量从１０Ｇｂｉｔ ／ ｓ增加到１００Ｇｂｉｔ／ ｓ ，只能通过压缩更高调制格式的数据，以在毫米波模式下工作，如图１所示  ，这里更高的工作带宽是可用的。达到这一目的的主要技术途径就是进行半导体技术创新，开发毫米波、太赫兹频段工作的半导体器件、材料和架构。一些在军事应用中采用多年的关键技术已经成为５Ｇ 电信的理想技术。例如，相控阵技术是具有良好发展前景的重点技术。５Ｇ 电信正致力实现防务行业利用相控阵天线所带来的益处，克服毫米波信号容易受阻于建筑物或者障碍物的缺点。军事应用面临更为复杂的通信环境，距离通常相隔几十公里甚至几百海里。系统容量、数据传输速率同样也是军用通信系统所追求的关键指标。毫米波相控阵在军用通信、雷达、电磁频谱战领域的发展意义重大。军用和民用５Ｇ 通信建立起的良性循环有利于形成相互利用和促进的局面。

从当前 国 际 ５Ｇ 技 术 发 展 来 看，主 要 国 家 ６ＧＨｚ以下频段已经全面实现商用。无线通信要实现更高的数据容量或更高带宽，主要的着力点是开发利用２４．２５ＧＨｚ以上频段的毫米波高频段。在２０１９年世界无线电通信大会（ ＷＲＣ － １９ ）上，基于国际电信联盟（ＩＴＵ ）、第三代合作伙伴计划（ ３ＧＰＰ ）等国际标准化组织框架，各国代表就 ５Ｇ 毫米波频谱使用达成共识：全球范围将２４．２５～２７．５ＧＨｚ 、 ３７～４３．５ＧＨｚ 、 ６６～７１ＧＨｚ共１４．７５ＧＨｚ带宽的毫米波频率标识用于５Ｇ 及国际移动通信系统（ ＩＭＴ ）的未来发展。ＷＲＣ － １９的决议规划了大量连续带宽的毫米波频率用于 ５Ｇ 技术 ，如图 ２ 所示。这为 ５Ｇ／６Ｇ相关产业链的发展和成熟奠定了基础，全球５Ｇ系统部署和商用步伐正在加速。

半导体工业的关键挑战是开发并提供可赋能给５Ｇ 、 ６Ｇ 信息传输网络的技术，增加信息传输吞吐量、覆盖空间和传输距离。这些需求将转化成对半导体器件射频和基带带宽、工作频率、功耗、增益、噪声系数、线性度、发射功率等性能指标的要求。除最可能优先部署的２６ＧＨｚ ／ ２８ＧＨｚ／ ３９ＧＨｚ频段之外，近年业界对工作在 Ｖ 波段（ ５７～６６ＧＨｚ ）、 Ｅ 波段（７１～８６ＧＨｚ ）和 Ｗ 波段（ ７５－１１０ＧＨｚ ）的半导体技术给予越来越多的关注。高于９０ＧＨｚ和高达３００ＧＨｚ的频段也已经开始开发。６Ｇ 网络通信频段将向上扩展至太赫兹频段并延伸到三维空间，可连接卫星、飞机、船舶和陆基基础设施，实现真正的全球覆盖智能化通信  。