5G推動多個行業(yè)的毫米波技術(shù)

當(dāng)今世界的技術(shù)繼續(xù)以更高的頻率來解決問題并提高性能。正是這些毫米波（mmWave）頻率為解決通信和國防等許多行業(yè)中最苛刻的要求提供了希望。5G通信系統(tǒng)受益于國防公司針對不同應(yīng)用但需求相似的多年研究。在電信鏈路中，對更高數(shù)據(jù)速率的需求繼續(xù)超過現(xiàn)有技術(shù)，解決方案正在向28 GHz和39 GHz發(fā)展。

這種高頻IC發(fā)展增加的結(jié)果是軍隊在戰(zhàn)場上需要應(yīng)對的技術(shù)數(shù)量增加。國防應(yīng)用，例如在海上拯救滯留的船員時，受益于高頻雷達的分辨率提高，可以更清楚地解析物體。此外，許多為電信設(shè)計的IC必須低成本并適合大批量生產(chǎn)，以使其更易于部署。所有這些活動的副產(chǎn)品是需要測試儀器來驗證解決方案是否在整個應(yīng)用空間中發(fā)揮作用。

本文將簡要描述有多少行業(yè)對共享的通用技術(shù)受益或做出反應(yīng)。檢查IC供應(yīng)鏈以及IC供應(yīng)鏈如何應(yīng)對這些新要求。本文還將展示毫米波頻率如何幫助解決當(dāng)今的挑戰(zhàn)，然后介紹實現(xiàn)這一目標的ADI技術(shù)示例。

無線電子的交織世界

行業(yè)通?？梢詮臑椴煌袠I(yè)的應(yīng)用創(chuàng)建的技術(shù)中受益。微波爐通常歸功于一位從事雷達工作的工程師，他注意到他的午餐在測試過程中融化了。我們看到這種情況正在發(fā)生，5G電信試圖實現(xiàn)國防工業(yè)通過相控陣天線創(chuàng)造的好處。未來，國防工業(yè)很可能反過來能夠?qū)崿F(xiàn)5G進步帶來的新技術(shù)，從而在它們之間建立循環(huán)關(guān)系。

同樣，衛(wèi)星通信正在經(jīng)歷技術(shù)轉(zhuǎn)變，從地球同步赤道軌道（GEO）或地球靜止衛(wèi)星轉(zhuǎn)向探索低地球軌道（LEO）衛(wèi)星，這些衛(wèi)星將提供更高的數(shù)據(jù)吞吐量和更好的地球覆蓋范圍。這個想法從一顆或幾顆圍繞地球運行的GEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)移到給定網(wǎng)絡(luò)的數(shù)千顆衛(wèi)星。目前有許多運營商試圖為寬帶互聯(lián)網(wǎng)使用創(chuàng)建新的LEO星座，而許多爭奪提供衛(wèi)星的公司都是完善對軍事監(jiān)視和通信至關(guān)重要的GEO衛(wèi)星的國防公司。

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)發(fā)生在各個市場，并將持續(xù)數(shù)年?，F(xiàn)在，我們將探討為什么毫米波頻率有助于防御和通信。

更高的頻率可實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率和更寬的通信帶寬

隨著移動通信在過去 20 年中的激增，我們看到對更高數(shù)據(jù)速率的需求不斷增加。每隔幾年，就會推出一個新的無線標準，定義新的協(xié)議以提高數(shù)據(jù)吞吐量。吞吐量的這些改進通常與更復(fù)雜的調(diào)制方案相關(guān)，這些調(diào)制方案可以同時傳輸多條信息。隨著調(diào)制方案變得越來越復(fù)雜，傳輸更多數(shù)據(jù)的能力也在增長。然而，在某一點上，調(diào)制復(fù)雜性的額外增加并不能顯著提高吞吐量。因此，調(diào)制信號的常用方法是將其分布在載波頻率周圍的頻率范圍內(nèi)。因此，提高吞吐量的另一種方法是增加調(diào)制信號的帶寬（FBW），將其傳播到更寬的頻率范圍內(nèi)。為了不斷增加我們可以傳播信號的量，我們需要增加載波頻率（FC），以免延伸到直流以下。這種通過移動到更高頻率同時傳輸更多數(shù)據(jù)的能力正在推動應(yīng)用向毫米波頻率發(fā)展。

電子戰(zhàn)如何受到5G的影響

當(dāng)今的軍事沖突越來越多地以電子方式進行，從而產(chǎn)生了電子戰(zhàn)的概念。它的關(guān)鍵組件之一是雷達，它只是傳輸信號并等待它返回，映射雷達的視野。雷達系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展了100多年，其主要優(yōu)點是檢測和繪制超出人類可見范圍的物體。這使雷達操作員比沒有雷達的對手具有相當(dāng)大的優(yōu)勢。因此，雷達技術(shù)多年來一直在不斷發(fā)展。因此，我們現(xiàn)在看到雷達用于日常天氣報告、空中交通管制和新興應(yīng)用，例如在汽車行業(yè)，雷達用于感知汽車和物體之間的距離。UHF和VHF頻率的傳統(tǒng)低頻雷達系統(tǒng)已被用作長距離的早期探測雷達。快速移動的飛機更經(jīng)常在X波段頻率（8 GHz至12 GHz）下運行，這些頻率受益于更高的分辨率和更小的天線。戰(zhàn)斗機中用于部署和瞄準導(dǎo)彈的雷達系統(tǒng)通常在Ka波段頻率（33 GHz至37 GHz）下運行。在94 GHz下，制導(dǎo)彈藥和導(dǎo)彈的發(fā)展越來越多。雷達系統(tǒng)轉(zhuǎn)向更高頻率有幾個好處，我們可以通過查看有助于表征分辨物體能力的距離分辨率和角分辨率來了解這些好處。轉(zhuǎn)向更高頻率的第一個好處是天線的尺寸縮小以獲得給定的角度分辨率，這是安裝到小型彈藥中的關(guān)鍵。另一種查看方式是，對于給定的天線尺寸，角分辨率在較高頻率下增加。雷達的距離分辨率與調(diào)制帶寬成正比，如前所述，在更高頻率下會有所改善。因此，由于應(yīng)用需要更高的分辨率，因此轉(zhuǎn)向更高的頻率是有好處的。

圖1.調(diào)制帶寬以載波頻率為中心。

傳統(tǒng)上，國防公司的電子戰(zhàn)系統(tǒng)在2 GHz至18 GHz之間運行，涵蓋S，C，X和Ku波段雷達。隨著威脅范圍的擴大，電子設(shè)備也會監(jiān)聽它們，并最終抵消它們。我們可以看到，在28 GHz和39 GHz下運行的5G設(shè)備接近用于導(dǎo)彈制導(dǎo)的現(xiàn)有Ka波段頻率。因此，對電子戰(zhàn)系統(tǒng)的新要求將擴展到涵蓋從24 GHz到44 GHz的5G頻率，并且這些頻率將有更多的電子設(shè)備可供軍隊在戰(zhàn)場上考慮。通常，電子戰(zhàn)的主要作用是監(jiān)聽威脅，然后以電子方式干擾威脅，同時保持不被發(fā)現(xiàn)。由于威脅可能來自各種頻率，因此監(jiān)聽設(shè)備（緊隨其后的干擾設(shè)備）需要處理寬頻帶的操作。

一項多年來一直用于國防應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)已成為5G電信的理想之選。相控陣天線技術(shù)是5G的理想選擇，具有國防工業(yè)也認為有價值的幾個功能。這些關(guān)鍵屬性包括傳輸多個數(shù)據(jù)流或輻射圖的能力。在國防應(yīng)用中，這可能允許戰(zhàn)斗機一次跟蹤多個目標，而在5G電信中，它允許他們一次向多個用戶傳輸數(shù)據(jù)。同樣，國防應(yīng)用需要能量瞄準一個方向的光束，從而提供低攔截或干擾概率。電信受益于消耗更少的功耗，因為它們能夠更有效地將信息定位到用戶。

這兩種應(yīng)用都受益于幾乎立即重新定位光束的能力。電信和國防工業(yè)都會欣賞許多其他好處，使這項技術(shù)具有吸引力。

5G 對 IC 的影響

當(dāng)今世界非常依賴移動通信。如圖2所示，支持這種5G蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施的先進技術(shù)是許多電信設(shè)備提供商及其基于IC的供應(yīng)鏈的重要增長領(lǐng)域。這一重大的增長機會催生了數(shù)百萬甚至數(shù)十億美元的投資來實現(xiàn)這些下一代產(chǎn)品。構(gòu)成這些系統(tǒng)的核心組件是通過網(wǎng)絡(luò)路由數(shù)據(jù)的IC。我們可以看到，IC供應(yīng)鏈的每個方面都在適應(yīng)和發(fā)展。從這些產(chǎn)品的最終測試解決方案可用的鑄造工藝開始，我們看到支持這些產(chǎn)品的技術(shù)的重大創(chuàng)新。

提供晶圓制造服務(wù)的各種半導(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)來競爭并實現(xiàn)這種新的5G技術(shù)。這種改進的一個例子可能是與電子束光刻相比，轉(zhuǎn)向更具成本效益的光學(xué)光刻技術(shù)。另一個好處是將新功能集成到一個工藝節(jié)點中，以在這個價格敏感的市場中競爭。

隨著新工藝技術(shù)的出現(xiàn)，IC設(shè)計也在不斷發(fā)展。通過在一個工藝節(jié)點中提供新功能，IC設(shè)計人員能夠?qū)⒛承┕δ芙M合到一個產(chǎn)品中，或者從內(nèi)核晶體管中提取比以前更高水平的性能。這些趨勢最終導(dǎo)致芯片集成度更高，部署更容易。隨著我們擴展到毫米波頻率，同樣具有吸引力的是能夠利用低成本封裝，這使得組裝更容易。毫米波頻率下的傳統(tǒng)防御組件一直是芯片和電線組件，這轉(zhuǎn)化為一個小型金屬外殼，其中芯片相互引線鍵合。這不是一種大批量組裝方法，通常比表面貼裝組裝技術(shù)更昂貴。過去幾年的主要動機是規(guī)模限制。然而，隨著性能的提高，與更小封裝的集成度越來越高，使得表面貼裝裝配更具吸引力。

空中測試等測試解決方案已成為相控陣天線及其28 GHz和39 GHzIC的現(xiàn)實。 以前，為了能夠測試相控陣天線，您通常需要一個大型、難以建造、價格昂貴等的消聲室。現(xiàn)在，這些測試解決方案變得越來越實惠、更小、更現(xiàn)成，這大大增加了可以提供完整天線解決方案的供應(yīng)商數(shù)量，而無需大量投資來測量最終產(chǎn)品。相控陣天線已經(jīng)從主要由國防公司和大學(xué)探索的技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)檎诔蔀橹髁鞯募夹g(shù)。它不僅允許瞄準5G機會的電信公司利用這項新技術(shù)，而且還可以更好地防御新出現(xiàn)的防御威脅。以前經(jīng)驗不足的天線工程師面臨的挑戰(zhàn)現(xiàn)在可以通過標準儀器供應(yīng)商現(xiàn)成的精確測量技術(shù)更快地解決。

其結(jié)果是業(yè)界有更多的毫米波產(chǎn)品可以部署在通信和國防應(yīng)用中。通常，用于蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施的產(chǎn)品在規(guī)格和功能上與國防和儀器儀表行業(yè)的需求接近。正是這種現(xiàn)成的IC和測試解決方案的增長，使最終產(chǎn)品的快速實現(xiàn)成為可能，這大大降低了國防工業(yè)毫米波頻率的威脅水平。

ADI公司幫助多個行業(yè)感受到5G效應(yīng)

ADI公司已投入巨資開發(fā)5G電信解決方案，以及將受到影響的儀器儀表和國防行業(yè)。電信市場的產(chǎn)品往往是較窄的頻段，可以更容易地優(yōu)化性能。國防工業(yè)通常需要寬帶寬解決方案，因為如果沒有高級知識，威脅可能來自多個頻率。

HMC863ALC4是28 GHz 5G電信基礎(chǔ)設(shè)施中使用的功率放大器（PA）的一個示例，其覆蓋范圍為24 GHz至29.5 GHz，可提供大于0.5 W的RF功率。PA采用小型4 mm×4 mm表面貼裝封裝，同時產(chǎn)生接近40 dBm的三階交調(diào)截點（TOI）。性能曲線如圖3所示。

圖3.HMC863A測量增益（左）和OIP3（右）與溫度的關(guān)系。

此外，ADI公司還為國防和儀器儀表市場開發(fā)了解決方案，例如ADPA7005，頻率為20 GHz至44 GHz。ADPA7005支持超過倍頻程的工作帶寬，并在整個工作頻帶內(nèi)提供大于1 W的飽和輸出功率。在整個頻率范圍內(nèi)具有標稱值為15 dB的一致增益，可輕松集成到整個系統(tǒng)中。此外，超過 40 dBm 的高 TOI 非常適合測量或生成高度調(diào)制的輸入信號。TOI和飽和功率的性能圖如圖4所示。

圖4.ADPA7005測量了飽和功率（左）和OIP3（右）與溫度的關(guān)系。

電信網(wǎng)絡(luò)的進步在外圍行業(yè)引起了反應(yīng)，這種反應(yīng)將在未來幾年內(nèi)展開。這種遷移的核心是需要以數(shù)據(jù)形式提供更多信息，這些信息可能會創(chuàng)造出永遠不會物理擊中物體的新武器。當(dāng)今世界的應(yīng)用頻率越來越高，而這才剛剛開始。

審核編輯：郭婷