無線通信技術的發(fā)展史與半導體材料工藝新挑戰(zhàn)

無線技術在如今的通信系統(tǒng)中發(fā)揮著關鍵作用，逐漸成為智慧家居、智能機器人、自動駕駛與新型醫(yī)療設備等新興技術的核心。在近日舉辦的EDICON 2020上，ADI不僅帶去了數(shù)款最新無線通信系統(tǒng)設計Demo，并且由ADI射頻應用經(jīng)理Mercy Chen用精彩的演講為與會觀眾講述了不同帶寬通信應用場景與無線電技術的深層次聯(lián)系。

無線通信技術的發(fā)展史與半導體材料工藝新挑戰(zhàn)

據(jù)Mercy介紹，無線通信從1G到5G，走過的歷史卻并不漫長。世界上第一代無線通信系統(tǒng)誕生于上世紀八十年代，是以“大哥大”手機為典型的以模擬技術為基礎的蜂窩無線電話系統(tǒng)，而到第二代的GSM，帶寬增加至200KHz，第三代的WCDMA約為5MHz，第四代的LTE則達到了20MHz。目前的第五代移動通信技術已經(jīng)有了Sub-6GHz的信道，帶寬為100M，之后的微波5G甚至可能會達到1GHz左右。不難發(fā)現(xiàn)，通信產(chǎn)品一代一代地更替，帶寬也越來越寬，對無線通信的數(shù)據(jù)速率要求越來越高，所有的無線產(chǎn)品帶寬支持能力也是需要不斷增加的。

時至今日的生活中，無線通信應用已經(jīng)無處不在了，其標準協(xié)議也是百花齊放，例如有蜂窩通信的NB-IoT標準、Bluetooth標準、 ZigBee標準以及WIFI標準等等各種各樣的通信協(xié)議。根據(jù)應用場景所需帶寬的不同，可以把無線通信應用分為窄帶應用、寬帶應用以及超寬帶（UBW）應用。

Mercy進一步指出，隨著無線通信技術的不斷發(fā)展，從低頻到超高頻的電路應用越來越廣，要求不同的器件特性在半導體材料工藝的選擇上也會面臨不同的挑戰(zhàn)。例如硅是當前半導體產(chǎn)業(yè)應用最為成熟的材料，傳統(tǒng)上以硅來制作的晶體管多采用BJT 或CMOS，由于硅材料沒有半絕緣基板，再加上組件本身的增益較低，若要應用在高頻段操作的無線通信IC 制造，則需進一步提升其高頻電性，除了要改善材料結構來提高組件性能，還必須藉助溝槽隔離等制程以提高電路間的隔離度與Q值，如此一來，其制程將會更為復雜，且不良率與成本也將大幅提高。因此，目前中低頻射頻模塊器件，例如混頻器，調(diào)制器，解調(diào)器等多以具有低噪聲、電子移動速度快、且集成度高的Si BiCMOS 制程為主。而在SOI襯底的硅表面下方嵌入了二氧化硅層，相對于體硅器件，這種結構可以極大的降低漏電流和功耗，具有明顯的性能優(yōu)勢，則非常適用于射頻模塊控制器應用。

GaAs因電子遷移率比硅高很多，因此采用特殊的工藝，早期為MESFET 金屬半導體場效應晶體管，后演變?yōu)镠EMT，pHEMT，目前則為HBT。HBT是無需負電源的砷化鎵組件，其功率密度、電流推動能力與線性度均超過FET，另外它可以單電源操作，因而簡化電路設計及次系統(tǒng)實現(xiàn)的難度，十分適合于射頻及中頻收發(fā)模塊的研制以及高功率、高效率、高線性度的微波放大器等電路。

不難看出，要解決各類無線通信應用的體積、功耗和成本挑戰(zhàn)，必須從硬件和系統(tǒng)設計入手。Mercy表示，對于ADI來說，擁有全頻譜解決方案的能力，可以做到0GHz到110GHz頻譜范圍內(nèi)的支持，在無線設計領域具有絕對的話語權。完整的產(chǎn)品系列也能支撐客戶相關的產(chǎn)品開發(fā)，并針對不同帶寬的應用場景，ADI幾款最新產(chǎn)品也體現(xiàn)了系統(tǒng)化的微波射頻研發(fā)經(jīng)驗是如何融入了其獨特的創(chuàng)新設計中。

完美布局，ADI無線通信技術解決方案全方位覆蓋

高動態(tài)范圍RF收發(fā)器完美匹配窄帶應用

窄帶應用需要使用多個放大器來覆蓋不同的頻段，意味著外部無源器件會更多，因為需要從不同的電源偏置每個放大器。使用多個窄帶放大器意味著需要更多偏置電路和低壓差調(diào)節(jié)器，這就會提高系統(tǒng)成本、器件數(shù)量和復雜度，而更高的復雜度意味著可靠性會降低，因而設備壽命可能較短。

ADRV9002是業(yè)界首款高性能、高度集成的收發(fā)器IC，工作頻率為30 MHz至6 GHz，能夠處理12 kHz至40 MHz的窄帶或?qū)拵?a target="_blank">信號。該接收器設計用于苛刻的高動態(tài)范圍 （150dBc/Hz） 和線性應用，存在大型阻塞器時，該器件可以解譯和吸收有用的RF信號。發(fā)送器提供最高線性度和輸出功率，同時具有最低的本底噪聲，以實現(xiàn)最佳發(fā)送器信號純度和范圍。“ADRV9002獨特的系統(tǒng)特性以及功耗與性能之間的權衡配置，使其適合功耗敏感的市場領域和應用?！盡ercy表示。

用于基站應用的小尺寸、低功耗寬帶RF收發(fā)器

ADI寬帶放大器最早是針對無線通訊基礎設施而設計，比如宏基站、小站，之后又衍生到了中繼站、IoT網(wǎng)關，包括小站、微站等。近些年，ADI的寬帶收發(fā)器系列不斷推陳出新，基本上一年一更迭，陸續(xù)推出了AD9371/9375，ADRV9008/9，ADRV9026，每一代都性能更強，帶寬更寬。

ADRV9026是ADI第四代寬帶RF收發(fā)器，是一款高度集成的緊湊型低功耗4T4R解決方案，尺寸小巧，并且支持TDD和FDD應用，具有16Gbps JESD204B/JESD204C數(shù)字接口，適用于蜂窩基站收發(fā)信臺（BTS）遠程無線電裝置（RRU），符合大規(guī)模多進多出（m-MIMO）、小型蜂窩基站和大型3G/4G/5G系統(tǒng)等蜂窩基礎設施應用的高性能要求。其支持最高200MHz接收帶寬，覆蓋650MHz至6GHz的頻率，最大觀測接收器/發(fā)射器頻率合成帶寬為450MHz，用于所有本振和基帶時鐘的多芯片相位同步?！芭c前幾代產(chǎn)品相比，ADRV9026收發(fā)器的功耗降低了50%，能夠提高無線電密度以支持更多的天線，并以更低的成本和系統(tǒng)功耗支持開放式無線接入網(wǎng)絡（ORAN）的小基站設計。收發(fā)器采用3G/4G/5G系統(tǒng)通用的平臺設計，有助于降低眾多應用的成本和復雜性，其靈活的設計還支持模塊化架構以實現(xiàn)可擴展的無線電解決方案?！盡ercy在演講中強調(diào)。

通話容量和數(shù)據(jù)吞吐量的再一次升級

超寬帶無線通信信號占用極寬的頻帶，可與其他通信系統(tǒng)共享頻譜資源，功率譜也可以做到極低，從而不去干擾其他通信系統(tǒng)，它是短距離無線通信領域研究的熱點，例如智能交通、消防、防務通信等，具有巨大研究價值和市場前景。ADI推出的混合信號前端 （MxFE?） RF 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器平臺可滿足 5G 測試和測量設備、寬帶有線視頻流、多天線相控陣雷達系統(tǒng)、低地球軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡中其他寬帶應用的需求。該平臺結合了高性能模擬和數(shù)字信號處理功能，允許制造商在與單頻段無線電相同的占板面積上安裝多頻段無線電，使當今4G LTE基站的通話容量提高3倍。

例如AD9081和AD9082 MxFE器件分別集成了8個和6個RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，采用28 nm CMOS工藝技術制造，均實現(xiàn)了業(yè)界最寬的瞬時信號帶寬，由于減少了頻率轉(zhuǎn)換級的數(shù)量和放寬濾波器要求，從而簡化硬件設計。與其他器件相比，這些更高集成高度的器件通過減少芯片數(shù)量來解決無線設備設計人員面臨的空間限制問題，使得印刷電路板 （PCB） 面積縮小60%。新型MxFE 平臺還支持無線運營商為其蜂窩塔增加更多天線，以滿足新興mmWave 5G的更高無線電密度和數(shù)據(jù)速率要求。

以射頻微波技術，攜手客戶超越一切可能

為實現(xiàn)各種頻率帶寬下無線通信低功耗、小尺寸和高可靠性的傳輸，特別是全頻譜接入、高頻段乃至毫米波傳輸、高頻譜效率3大基礎性能要求都對器件原材料、制造工藝與性能指標有了更高的要求。ADI這樣少數(shù)方案提供商所擁有‘全頻譜’能力，在整個射頻和微波、毫米波上的布局能夠滿足不同場景的應用。此外，長期持久的研發(fā)經(jīng)驗也將使ADI攜手合作伙伴，一起在未來在更多領域應用中探索出新的機遇。

責任編輯：haq