G波段的MMIC進(jìn)展如何

對(duì)更多頻譜和更多帶寬的不懈需求，以及不同波長(zhǎng)電磁輻射的獨(dú)特應(yīng)用特性，正在導(dǎo)致設(shè)計(jì)工作在更高頻率下的持續(xù)努力。雖然 1 GHz 至 10 GHz 僅在幾十年前被認(rèn)為是一個(gè)由笨重、幾乎神奇的有源和無源組件定義的狂野前沿，而面向大眾市場(chǎng)產(chǎn)品的商用設(shè)備很少，但我們現(xiàn)在通常處于低個(gè)位數(shù)的 GHz 空間智能手機(jī)、Wi-Fi 和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。5G 的進(jìn)步正在推動(dòng)該區(qū)域進(jìn)入數(shù)十 GHz。

當(dāng)今的 5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在 6 GHz 及以下，未來的 5G 通信運(yùn)行在 24 GHz 至 53 GHz 左右的毫米波頻率上。被稱為 6G 的下一代將推動(dòng)頻率更高，以獲得更寬的帶寬和信道容量。

但為什么要停在那里？國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局 (DARPA) 最近發(fā)布了有關(guān) G 波段陣列電子學(xué) (ELGAR)項(xiàng)目的公告。該機(jī)構(gòu)希望業(yè)界開發(fā)能夠在 110 GHz 和 300 GHz 之間的亞太赫茲 G 波段頻率范圍內(nèi)運(yùn)行的單片微波集成電路 (MMIC) 和前端接收器陣列，用于射電天文學(xué)、遠(yuǎn)程安全傳感和電信（圖1）。

圖1頻譜圖顯示了多個(gè)數(shù)量級(jí)的電磁能量；太赫茲波在標(biāo)記為微波的更廣泛區(qū)域中跨越 100 GHz 至 10 THz 區(qū)域。資料來源：羅格斯大學(xué)

DARPA 為該頻段的 MMIC 設(shè)備制定了一些目標(biāo)。這包括 30% 的功率放大器效率、至少 34 W/cm?2的發(fā)射陣列面功率密度和 220 GHz 時(shí) 24% 的發(fā)射陣列效率。乍一看，110 GHz 至 300 GHz 的上部毫米波 G 波段是一個(gè)有吸引力的、未被充分利用的電磁頻譜跨度，尤其是在大氣吸收率較低的 200 GHz 以上。

由于歷史情況和不同的應(yīng)用管轄區(qū)相結(jié)合，G-band 名稱也被用于 4 GHz 至 6 GHz，這與現(xiàn)在定義為 G-band 的 100 GHz 至 300 GHz 頻譜有很大不同。由于不同的應(yīng)用（雷達(dá)、射電天文和軍事）傳統(tǒng)上對(duì)相同的頻率/波長(zhǎng)波段使用不同的字母名稱，例如 X、S、K，因此存在一些混淆。?有關(guān)這種情況的一些見解，請(qǐng)參閱 TeraSense 關(guān)于無線電頻段的說明。

近年來，業(yè)界越來越多地使用題為“IEEE 雷達(dá)頻段的標(biāo)準(zhǔn)字母名稱”的 IEEE標(biāo)準(zhǔn) 521-2002來進(jìn)行與國(guó)際電信聯(lián)盟 (ITU) 定義一致的名稱。然而，許多較舊的名稱仍在廣泛使用，這可能會(huì)造成混淆。

我不知道 DARPA 發(fā)起的努力會(huì)產(chǎn)生什么結(jié)果，但值得關(guān)注事態(tài)發(fā)展。雖然 G 波段已經(jīng)在有限但高度專業(yè)化的用途中使用，并且確實(shí)有非 MMIC 組件，但它是設(shè)計(jì)真正產(chǎn)品的一個(gè)非常困難的地方。例如，RF 隔離器是 RF 世界中的標(biāo)準(zhǔn)組件，用于分離在與發(fā)送和接收信號(hào)相同的路徑上沿兩個(gè)方向傳播的 RF 能量。

以自 1960 年代開始使用的法拉第旋轉(zhuǎn)隔離器為例。它廣泛用于高頻區(qū)域，Micro Harmonics Corp. 題為“專為低插入損耗設(shè)計(jì)的隔離器”的簡(jiǎn)短應(yīng)用說明讓您對(duì)開發(fā)適用于該范圍的有用組件所面臨的挑戰(zhàn)有所了解。一些隔離器包括用于增強(qiáng)熱性能的金剛石分層散熱器。

G波段的MMIC進(jìn)展

隨著進(jìn)入 G 波段的發(fā)展使 MMIC 相關(guān)的進(jìn)展同時(shí)使用各種材料、工藝技術(shù)、支持組件以及測(cè)試和測(cè)量?jī)x器，我懷疑下一次推動(dòng)將是進(jìn)入太赫茲波段。300 GHz 到 3,000 GHz 的“奇怪”區(qū)域——有人說從 100 GHz 開始，有人說在 1,000 GHz 結(jié)束——介于常規(guī)射頻和光學(xué)和紅外區(qū)域之間，正如題為“真相”的 IEEE Spectrum 文章中所討論的那樣關(guān)于太赫茲”。雖然射頻和光學(xué)都受麥克斯韋方程控制，但它們表現(xiàn)出非常不同的特性并且需要非常不同的組件。

現(xiàn)在正在進(jìn)行一項(xiàng)大學(xué)研究工作，利用這兩個(gè)范圍之間的重疊來開發(fā)與分立激光器、LED 和光電晶體管相距甚遠(yuǎn)的混合光子器件。例如，日本大阪大學(xué)和澳大利亞阿德萊德大學(xué)的一個(gè)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種四通道多路復(fù)用器，該多路復(fù)用器支持以 350 THz 為中心的 48 Gbps 數(shù)據(jù)流（圖 2）。他們使用硅作為基礎(chǔ)材料以及標(biāo)準(zhǔn)制造技術(shù)。

圖 2這是一個(gè)基于硅的四通道多路復(fù)用器，支持 48-Gbps 數(shù)據(jù)流，調(diào)制中心頻率為 350 THz。資料來源：阿德萊德大學(xué)

另一項(xiàng)發(fā)展來自普林斯頓大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種可編程的太赫茲超表面，具有完全集成的硅芯片瓦片，用于動(dòng)態(tài)波束形成（圖 3）。

圖 3這種可編程的太赫茲超表面使用完全集成的硅片瓦片進(jìn)行動(dòng)態(tài)波束成形。資料來源：普林斯頓大學(xué)

如果歷史是利用技術(shù)進(jìn)步的指南，我懷疑 MMIC 在 G 波段的進(jìn)步將隨后導(dǎo)致在太赫茲波段取得更多進(jìn)步和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的組件和技術(shù)。一旦開始并且太赫茲和光學(xué)范圍之間的重疊區(qū)域變得模糊，可能會(huì)出現(xiàn)一些令人印象深刻的發(fā)展。也許，期待已久的光學(xué)處理器用光子而不是電子進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算將成為現(xiàn)實(shí)。