作者：ADI公司 Keith Benson

摘要

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組人員時）受益。此外，許多專為電信設(shè)計的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。所有這些活動的一個副產(chǎn)品是需要可以驗證解決方案在整個應(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

為某個不同行業(yè)應(yīng)用創(chuàng)建的技術(shù)通常會使多個行業(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)很可能又會反過來實現(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)在各個市場中，并還將持續(xù)數(shù)年。現(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。每隔幾年就會引入一個新的無線標(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)，以便同時傳輸多個信息。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)移到更高頻率以實現(xiàn)同時傳輸更多數(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、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)。快速移動的飛機更常在X頻段頻率（8 GHz至12 GHz）運行，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優(yōu)勢是實現(xiàn)給定角度分辨率的天線尺寸會縮小，該分辨率是小型軍備安裝的關(guān)鍵。從另一個角度來看，對于給定天線尺寸，更高頻率下的角度分辨率會增加。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，它的多個特性對防務(wù)行業(yè)也很有價值。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。在防務(wù)應(yīng)用中，這使得戰(zhàn)斗機能夠一次跟蹤多個目標(biāo)，而在5G電信中，它可以一次將數(shù)據(jù)傳輸給多個用戶。同樣，防務(wù)應(yīng)用需要可將能量對準(zhǔn)一個方向的波束，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，是一個重要的增長領(lǐng)域。這一巨大的增長機會催生了數(shù)百萬甚至數(shù)十億美元的投資，以實現(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。另一個優(yōu)勢是可以將新功能集成到單個工藝節(jié)點中，以在價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)計也在不斷演進(jìn)。通過在單個工藝節(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。以前，要測試相控陣天線，通常需要一個大的電波暗室，它不僅難以構(gòu)造且價格昂貴?，F(xiàn)在，這些測試解決方案變得更為經(jīng)濟、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公司助力多個行業(yè)體驗5G效應(yīng)

除了會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，因為在缺乏超前認(rèn)知的情況下，威脅可能來自多個頻率。

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（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，并可在整個工作頻段內(nèi)提供大于1 W的飽和輸出功率。整個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。然后轉(zhuǎn)向IC設(shè)計工程師團隊管理，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項新穎放大器技術(shù)方面的美國專利。