5G推動(dòng)多個(gè)行業(yè)中的毫米波技術(shù)
發(fā)布時(shí)間:2020-07-21 來源:Keith Benson 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】為了解決問題并提高性能,當(dāng)今世界的技術(shù)所采用的頻率不斷提高。毫米波(mmWave)頻率為應(yīng)對通信和防務(wù)等眾多行業(yè)中的嚴(yán)苛要求帶來了希望。5G通信系統(tǒng)受益于防務(wù)公司多年的研究成果,雖然它們針對的應(yīng)用不同,但需求類似。在電信鏈路中需要更高的數(shù)據(jù)速率,不斷超出現(xiàn)有技術(shù)能力,其解決方案正在向28 GHz和39 GHz發(fā)展。
不斷增加的高頻IC開發(fā)導(dǎo)致軍用設(shè)施在戰(zhàn)場上需要應(yīng)對的技術(shù)量增加。高頻雷達(dá)分辨率的提高可以更清晰地解析目標(biāo),使防務(wù)應(yīng)用(例如救助滯留海上的機(jī)組人員時(shí))受益。此外,許多專為電信設(shè)計(jì)的IC必須具有低成本并且適合大規(guī)模生產(chǎn),以便更易于部署。所有這些活動(dòng)的一個(gè)副產(chǎn)品是需要可以驗(yàn)證解決方案在整個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中能正常工作的測試儀器。
本文將簡要介紹共享通用技術(shù)將使哪些行業(yè)受益或受到影響。分析了IC供應(yīng)鏈以及IC供應(yīng)鏈如何應(yīng)對這些新需求。本文還將展示毫米波頻率如何幫助解決當(dāng)今的挑戰(zhàn),然后舉例說明ADI技術(shù)如何使之成為可能。
無線電子設(shè)備交織的世界
為某個(gè)不同行業(yè)應(yīng)用創(chuàng)建的技術(shù)通常會(huì)使多個(gè)行業(yè)受益。微波爐被公認(rèn)為是一位雷達(dá)工程師的功勞,他在測試過程中發(fā)現(xiàn)自己的午餐被融化了。如今,我們看到類似情況正在發(fā)生,5G電信正試圖實(shí)現(xiàn)防務(wù)行業(yè)利用相控陣天線所帶來的益處。將來,防務(wù)行業(yè)很可能又會(huì)反過來實(shí)現(xiàn)5G進(jìn)步所帶來的新技術(shù),從而建立起良性循環(huán)。
同樣,衛(wèi)星通信正在經(jīng)歷一場技術(shù)變革,從地球同步赤道軌道(GEO)或地球靜止軌道衛(wèi)星轉(zhuǎn)向探索近地軌道(LEO)衛(wèi)星,后者將能提供更高的數(shù)據(jù)吞吐量和對地球更好的覆蓋率。其理念是,在給定網(wǎng)絡(luò)中從繞地球運(yùn)行的一顆或幾顆GEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)為數(shù)千顆(LEO)衛(wèi)星。有許多運(yùn)營商正試圖創(chuàng)建面向?qū)拵Щヂ?lián)網(wǎng)的全新LEO衛(wèi)星群,而許多爭相提供衛(wèi)星的公司正是同一批防務(wù)公司,它們擁有完備GEO衛(wèi)星,而這些衛(wèi)星對軍用監(jiān)控和通信來說至關(guān)重要。
這種從為不同目的而創(chuàng)造的技術(shù)中受益的循環(huán)已經(jīng)出現(xiàn)在各個(gè)市場中,并還將持續(xù)數(shù)年?,F(xiàn)在,我們將探討為何毫米波頻率對防務(wù)和通信都有幫助。
更高頻率助力實(shí)現(xiàn)更高數(shù)據(jù)速率和更寬通信帶寬
在過去20年間,隨著移動(dòng)通信的激增,對更高數(shù)據(jù)速率的需求不斷增長。每隔幾年就會(huì)引入一個(gè)新的無線標(biāo)準(zhǔn)來定義新協(xié)議以增加數(shù)據(jù)吞吐量。這些吞吐量的提高通常與更復(fù)雜的調(diào)制方案相關(guān),以便同時(shí)傳輸多個(gè)信息。隨著調(diào)制方案變得更加復(fù)雜,傳輸更多數(shù)據(jù)的能力也在增長。然而,調(diào)制復(fù)雜度增加到某個(gè)程度就不再能提供顯著的吞吐量改善。故而信號調(diào)制的常用方法是將其擴(kuò)展到載波頻率附近的一系列頻率上。因此,提高吞吐量的另一種方法是將調(diào)制信號(FBW)擴(kuò)展到更寬的頻率范圍內(nèi)來增加其帶寬。為了不斷增加可擴(kuò)展信號的數(shù)量,我們需要增加載波頻率(FC)以使其不低于直流。通過轉(zhuǎn)移到更高頻率以實(shí)現(xiàn)同時(shí)傳輸更多數(shù)據(jù)的能力將應(yīng)用推向了毫米波頻率。
5G對電子戰(zhàn)有何影響
當(dāng)今的軍事沖突越來越多地以電子方式進(jìn)行對抗,這引發(fā)了電子戰(zhàn)的構(gòu)想。電子戰(zhàn)的關(guān)鍵組件之一是雷達(dá),只需發(fā)送一個(gè)信號并等待信號返回,即可對雷達(dá)視野范圍進(jìn)行測繪。雷達(dá)系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷了100多年的發(fā)展,其主要優(yōu)勢是可以檢測和測繪人類看不見的目標(biāo)物。這使雷達(dá)操作員比沒有雷達(dá)的對手擁有更大的優(yōu)勢。因此,雷達(dá)技術(shù)多年來一直在持續(xù)發(fā)展。如今,我們看到雷達(dá)用在日常天氣預(yù)報(bào)、空中交通管制以及新興應(yīng)用中,例如在汽車行業(yè)中利用雷達(dá)來檢測汽車與目標(biāo)物之間的距離。采用UHF和VHF頻率的傳統(tǒng)低頻雷達(dá)系統(tǒng)已經(jīng)被應(yīng)用于超長距離早期探測雷達(dá)??焖僖苿?dòng)的飛機(jī)更常在X頻段頻率(8 GHz至12 GHz)運(yùn)行,從而可以受益于更高分辨率和更小尺寸的天線。用于戰(zhàn)斗機(jī)中部署和瞄準(zhǔn)導(dǎo)彈的雷達(dá)系統(tǒng)通常在Ka頻段(33 GHz至37 GHz)運(yùn)行。94 GHz下的制導(dǎo)彈藥和導(dǎo)彈開發(fā)正在不斷增加。雷達(dá)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向更高頻率具有諸多優(yōu)勢,我們可以通過查看表征目標(biāo)解析能力的距離分辨率和角度分辨率來了解這些優(yōu)勢。轉(zhuǎn)向更高頻率的第一個(gè)優(yōu)勢是實(shí)現(xiàn)給定角度分辨率的天線尺寸會(huì)縮小,該分辨率是小型軍備安裝的關(guān)鍵。從另一個(gè)角度來看,對于給定天線尺寸,更高頻率下的角度分辨率會(huì)增加。雷達(dá)的距離分辨率與調(diào)制帶寬成正比,如上所述,在更高的頻率下會(huì)提高距離分辨率。因此,由于應(yīng)用要求更高的分辨率,轉(zhuǎn)向更高頻率會(huì)帶來優(yōu)勢。
圖1. 以載波頻率為中心的調(diào)制帶寬
傳統(tǒng)上,防務(wù)公司的電子戰(zhàn)系統(tǒng)運(yùn)行于2 GHz至18 GHz之間,涵蓋S波段、C波段、X波段和Ku波段的雷達(dá)。隨著威脅的距離增加,進(jìn)行偵聽的電子設(shè)備也將增加,直至最終消除威脅。我們可以看到,工作在28 GHz和39 GHz頻率的5G設(shè)備接近于用于導(dǎo)彈制導(dǎo)的現(xiàn)有Ka頻段。因此,對電子戰(zhàn)系統(tǒng)的新要求將擴(kuò)展到可覆蓋從24 GHz到44 GHz的5G頻率范圍,并且在這些頻率上將有更多電子手段可考慮用于軍事戰(zhàn)場。通常,電子戰(zhàn)的主要作用是偵聽威脅,然后以電子方式干擾威脅,同時(shí)不被發(fā)現(xiàn)。由于威脅可能來自各種不同的頻率,因此偵聽設(shè)備(后面緊接著的是干擾設(shè)備)需要具備寬工作頻段。
在防務(wù)應(yīng)用中采用多年的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)成為5G電信的理想技術(shù)。相控陣天線技術(shù)非常適合5G應(yīng)用,它的多個(gè)特性對防務(wù)行業(yè)也很有價(jià)值。這些關(guān)鍵屬性包括傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)流或輻射圖的能力。在防務(wù)應(yīng)用中,這使得戰(zhàn)斗機(jī)能夠一次跟蹤多個(gè)目標(biāo),而在5G電信中,它可以一次將數(shù)據(jù)傳輸給多個(gè)用戶。同樣,防務(wù)應(yīng)用需要可將能量對準(zhǔn)一個(gè)方向的波束,從而降低被攔截或干擾的可能性。電信能夠更高效地將信息定向發(fā)送給用戶,從而消耗更低的功耗。
幾乎立即完成波束重新定位的能力讓兩種應(yīng)用都能受益。深受電信和防務(wù)行業(yè)青睞的許多其他優(yōu)勢使該技術(shù)頗具吸引力。
5G對IC的影響
當(dāng)今世界非常依賴于移動(dòng)通信。支持5G蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施的先進(jìn)技術(shù)對于許多電信設(shè)備提供商及其基于IC的供應(yīng)鏈(如圖2所示)而言,是一個(gè)重要的增長領(lǐng)域。這一巨大的增長機(jī)會(huì)催生了數(shù)百萬甚至數(shù)十億美元的投資,以實(shí)現(xiàn)下一代產(chǎn)品。構(gòu)成這些系統(tǒng)的核心元件是通過網(wǎng)絡(luò)路由數(shù)據(jù)的IC。我們可以看到,IC供應(yīng)鏈的各個(gè)方面都在改變和發(fā)展(如圖2所示)。我們看到,從這些產(chǎn)品可用的晶圓制造工藝到最終測試解決方案,支持這些產(chǎn)品的技術(shù)都發(fā)生了重大的創(chuàng)新。
圖2. 5G IC 供應(yīng)鏈
提供晶圓制造服務(wù)的眾多半導(dǎo)體代工廠為IC創(chuàng)造了基礎(chǔ)材料,并不斷創(chuàng)新。許多代工廠已經(jīng)開發(fā)出新的工藝技術(shù)來參與競爭并實(shí)現(xiàn)5G新技術(shù)。這種改進(jìn)的示例之一是轉(zhuǎn)向比電子束光刻更具成本效益的光學(xué)光刻。另一個(gè)優(yōu)勢是可以將新功能集成到單個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)中,以在價(jià)格敏感的市場中參與競爭。
隨著新工藝技術(shù)的推出,IC設(shè)計(jì)也在不斷演進(jìn)。通過在單個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)中提供新功能,IC設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒛承┕δ芙M合到一個(gè)產(chǎn)品中,或者從核心晶體管中提取比以前更高的性能。這些趨勢最終導(dǎo)致芯片的集成度提高,并且更易于部署。隨著向毫米波頻率的擴(kuò)展,具有吸引力的還包括能夠利用低成本封裝的優(yōu)勢,使裝配更加容易。毫米波頻率下的傳統(tǒng)防務(wù)裝配方式是芯片-引線互連裝配法,即轉(zhuǎn)換成小型金屬外殼,芯片之間采用引線相互鍵合。這并不是一種大批量裝配方法,并且通常比表面貼裝技術(shù)更貴。過去幾年一直采用此方法的主要原因是尺寸限制。但是,隨著在更小封裝中實(shí)現(xiàn)更高集成度和更高的性能,表面貼裝更具吸引力。
對于在28 GHz和39 GHz下的相控陣天線及其IC,OTA測試等測試解決方案已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。以前,要測試相控陣天線,通常需要一個(gè)大的電波暗室,它不僅難以構(gòu)造且價(jià)格昂貴?,F(xiàn)在,這些測試解決方案變得更為經(jīng)濟(jì)、更小型化并且現(xiàn)成可用,從而導(dǎo)致可以提供完整天線解決方案,而無需花費(fèi)大量投資來測量最終產(chǎn)品的供應(yīng)商數(shù)量大大增加。相控陣天線已經(jīng)從主要用于防務(wù)公司和大學(xué)的探索性技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橹髁骷夹g(shù)。它不僅讓旨在抓住5G機(jī)遇的電信公司能夠利用這一新技術(shù),而且還能更好地防御新興防務(wù)威脅?,F(xiàn)在,標(biāo)準(zhǔn)儀器供應(yīng)商提供的精確測量技術(shù)可以更快地解決經(jīng)驗(yàn)不足的天線工程師之前面臨的挑戰(zhàn)。
這樣一來,業(yè)界便可提供更多的毫米波產(chǎn)品,這些產(chǎn)品既可以部署在通信應(yīng)用中,也可以用于防務(wù)應(yīng)用。通常,用于蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施的產(chǎn)品在規(guī)格和功能上與防務(wù)和儀器儀表行業(yè)產(chǎn)品的需求很接近。易于獲取的IC和測試解決方案的發(fā)展加快了最終產(chǎn)品的上市時(shí)間,這極大地降低了防務(wù)行業(yè)中毫米波頻率出現(xiàn)威脅的等級。
ADI公司助力多個(gè)行業(yè)體驗(yàn)5G效應(yīng)
除了會(huì)受到影響的儀器儀表和防務(wù)行業(yè)以外,ADI公司還投入巨資開發(fā)5G電信解決方案。面向電信市場的產(chǎn)品往往頻段較窄,因此更易于進(jìn)行性能優(yōu)化。防務(wù)行業(yè)通常需要寬帶寬解決方案,因?yàn)樵谌狈Τ罢J(rèn)知的情況下,威脅可能來自多個(gè)頻率。
用于28 GHz 5G電信基礎(chǔ)設(shè)施中的功率放大器(PA)的示例之一是 HMC863ALC4,它可覆蓋24 GHz至29.5 GHz頻率范圍,并能提供大于0.5 W的RF功率。PA采用一個(gè)小型4 mm × 4 mm表面貼封裝,可產(chǎn)生接近40 dBm的三階交調(diào)點(diǎn)(TOI)。性能曲線如圖3所示。
圖3. HMC863A 測得的增益 (左) 和 OIP3 (右) 與溫度的關(guān)系
此外,ADI公司還針對防務(wù)和儀器儀表市場開發(fā)了解決方案,例如可覆蓋20 GHz至44 GHz頻率范圍的 ADPA7005。ADPA7005支持倍頻程范圍工作帶寬,并可在整個(gè)工作頻段內(nèi)提供大于1 W的飽和輸出功率。整個(gè)頻率范圍上的一致增益標(biāo)稱值為15 dB,使其可以輕松集成到完整的系統(tǒng)中。此外,40 dBm以上時(shí)的高TOI是測量或生成高調(diào)制輸入信號的理想選擇。TOI和飽和功率的性能曲線如圖4所示。
圖4. ADPA7005測得的飽和功率(左)和OIP3(右)與溫度的關(guān)系
電信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展已經(jīng)對周邊產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了影響,該影響將在未來幾年內(nèi)逐漸展現(xiàn)。這種變遷的核心是需要以數(shù)據(jù)形式提供更多信息,這些信息將有可能創(chuàng)造出永遠(yuǎn)不會(huì)對目標(biāo)進(jìn)行物理攻擊的新武器。當(dāng)今世界的應(yīng)用所采用的頻率正不斷提高,這只是個(gè)開始。
作者
Keith Benson
Keith Benson于2002年畢業(yè)于馬薩諸塞大學(xué)安姆斯特分校,獲電氣工程學(xué)士學(xué)位,2004年畢業(yè)于加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校,獲電氣工程碩士學(xué)位。他之前就職于Hittite Microwave,主攻RF無線電子的IC設(shè)計(jì)。然后轉(zhuǎn)向IC設(shè)計(jì)工程師團(tuán)隊(duì)管理,主要負(fù)責(zé)無線通信鏈路。2014年,ADI公司收購了Hittite Microwave,Keith成為ADI公司RF/MW放大器和相控陣IC的產(chǎn)品線總監(jiān)。Keith目前擁有3項(xiàng)新穎放大器技術(shù)方面的美國專利。
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