毫米波技術(shù)需要高度線(xiàn)性、緊湊和高能效的寬帶產(chǎn)品

5G 通信正在改變我們的生活，同時(shí)也在促進(jìn)產(chǎn)業(yè)數字化轉型，為工業(yè)、汽車(chē)和消費電子等行業(yè)提供了巨大的應用想象空間與市場(chǎng)機會(huì )，例如實(shí)現創(chuàng )建人與機器人和諧共存的環(huán)境，高質(zhì)量醫療，并且加速實(shí)現安全的自動(dòng)駕駛汽車(chē)，等等。

● 打造未來(lái)智能工廠(chǎng)——5G 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可以幫助工廠(chǎng)實(shí)現更高的可靠性，例如縮短延遲時(shí)間、提高生產(chǎn)效率。在人與機器人共存的世界里，更強的連接可以改善人機互動(dòng)，并降低事故風(fēng)險。

● 提供高質(zhì)量的醫療服務(wù)——通用5G 連接可以借助可穿戴生物傳感器對患者實(shí)施遠程監測，進(jìn)行生命體征檢測，并將信息傳輸給基于云的診斷引擎。通過(guò)接收、解析信息，在出現異常信號時(shí)能夠迅速采取行動(dòng)挽救生命。

● 推動(dòng)全自動(dòng)駕駛汽車(chē)的發(fā)展——5G 的低延時(shí)和高帶寬可以做到將車(chē)輛外的信息，例如車(chē)流模式、路上行人、其他車(chē)輛，甚至路況等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)綜合分析和快速自動(dòng)決策。由此，可減少汽車(chē)事故和提升交通通行效率。

● 提升自然資源行業(yè)信息化水平——以水質(zhì)監測為例，利用5G 通信技術(shù)可以實(shí)時(shí)采集水域信息并生成采樣報告及檢測報告，徹底改變傳統水文測量、水質(zhì)采樣監測和環(huán)境執法巡邏等水生態(tài)環(huán)境監測監管模式。此外，5G 技術(shù)還將有助于提高災害事故監測感知能力，例如對洪水、地震和泥石流的來(lái)臨及時(shí)發(fā)出預警。

解勇(ADI通信基礎設施事業(yè)部中國區戰略市場(chǎng)經(jīng)理)

隨著(zhù)5G 領(lǐng)域對射頻前端產(chǎn)品需求的不斷增加，設備開(kāi)發(fā)的技術(shù)挑戰可總結為更小的體積、更低的功耗和更低的成本要求。ADI 公司提倡通過(guò)系統級方法解決5G 功耗難題，例如我們可以基于減少或消除濾波器及其他無(wú)源要素的無(wú)線(xiàn)電架構進(jìn)行構建，得到一個(gè)綜合性能出色的解決方案。ADI 創(chuàng )建了一種軟件定義無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器的全新通信架構，將復雜的信號鏈集成到一個(gè)芯片中，該架構可以將無(wú)線(xiàn)電中每通道的尺寸減小至1/10，功耗降低50%，可以用作在5G 系統所需更高性能的射頻拉遠單元中。同時(shí)，ADI 還一直致力于開(kāi)發(fā)創(chuàng )新性的高性能低功耗的數字預失真（DPD）算法，并集成于射頻收發(fā)器產(chǎn)品中，以提升PA 效率，降低整體系統功耗和成本。另外，為實(shí)現5G 基站的節能降耗，ADI 的最新集成收發(fā)器產(chǎn)品還支持不同的節電模式，如芯片待機模式、關(guān)斷模式，等等。

因此，ADI 公司基于零中頻架構的集成CMOS 無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器產(chǎn)品，在帶來(lái)高集成度的同時(shí)顯著(zhù)改善了整體無(wú)線(xiàn)電系統的大小、重量和功耗。此外，ADI 公司還提供用于無(wú)線(xiàn)電前端信號鏈的各種高性能的RF 器件系列、精密監測和控制產(chǎn)品以及高效電源管理電路。

另一方面，5G 在基站端的無(wú)線(xiàn)解決方案對各類(lèi)器件的要求基本上都有尺寸、功耗、性能和成本幾個(gè)維度。

對于Sub-6 GHz 的大規模MIMO 宏基站來(lái)說(shuō)，集成度和功耗要求更高，ADI 的ADRV9026/9 和ADRF5515A系列產(chǎn)品是業(yè)界領(lǐng)先的系統解決方案；對于小基站，ADRV9029 內置DPD 和CFR 功能可以完美解決功耗和成本的苛刻要求；而對于毫米波相控天線(xiàn)陣，前面提到的MxFE，UDC 和BF 信號鏈器件可以提供超大帶寬，高集成度和高性能的混合相控陣列解決方案。

1 毫米波的新挑戰

5G 生態(tài)系統采用以更低延遲、更快創(chuàng )建連接的技術(shù)構建，如毫米波、大規模MIMO 和自適應波束成形等新技術(shù)，同時(shí)5G 比前幾代技術(shù)實(shí)現更多數量設備的連接。這些應用帶來(lái)極具挑戰的全新器件需求，要求測試與測量設備具備兩項關(guān)鍵性能：在更寬頻譜范圍內（包括28 GHz 和39 GHz 毫米波）測量性能；對過(guò)去無(wú)法超越的帶寬（>1 GHz）以更高的信噪比進(jìn)行測量。

一般來(lái)說(shuō)，毫米波是指30-300 GHz 之間的射頻頻段。高頻毫米波主要技術(shù)特點(diǎn)為頻段寬，適用于各種寬頻信號處理。其天線(xiàn)尺寸小，波束窄，方向性好，空間分辨率高。但其缺點(diǎn)則是易受大氣衰減和吸收的影響，在空間傳播很容易被阻擋和吸收，因此實(shí)際作用距離不可能太遠。

目前毫米波在無(wú)線(xiàn)通訊領(lǐng)域的應用目前主要考慮兩種常見(jiàn)的場(chǎng)景。一個(gè)是郊區，我們稱(chēng)之為“固定無(wú)線(xiàn)接入”，它能通過(guò)空中向家庭或辦公室提供帶寬非常寬的信號。第二個(gè)場(chǎng)景，稱(chēng)之為“密集市區”，它可能不會(huì )覆蓋很大的區域，但是可能要穿透建筑物上的玻璃，這是一個(gè)挑戰。

隨著(zhù)毫米波解決方案性能和成本的不斷優(yōu)化，其商業(yè)發(fā)展潛力還是很大的。毫米波正在讓5G 的邊界快速擴大，利用毫米波技術(shù)優(yōu)勢，傳媒行業(yè)將迎來(lái)更多變革，網(wǎng)絡(luò )直播、高清視頻將帶來(lái)革命性體驗。未來(lái)，毫米波由于設備小、易于部署、容量極大、隨著(zhù)技術(shù)的更新可以提供單點(diǎn)超過(guò)10 Gbit/s 的速率能力，為應用提供了非常好的傳送能力，將加速更逼真影像技術(shù)的產(chǎn)生，如全息通信、沉浸式VR 云游戲、網(wǎng)聯(lián)機器人等業(yè)務(wù)。

隨著(zhù)全球毫米波5G 部署的加速，運營(yíng)商面臨更大壓力，既需要降低推廣成本，同時(shí)還要用更節能、更輕便、更可靠的無(wú)線(xiàn)電產(chǎn)品擴大網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍。這就需要高度線(xiàn)性、緊湊和高能效的寬帶產(chǎn)品，在不犧牲質(zhì)量和性能的情況下允許多頻段設計復用。無(wú)論是GaAs、GaN、SiGe 還是CMOS 在5G 毫米波中都有其獨特的優(yōu)勢和相關(guān)應用機會(huì )。ADI 高集成度高性能5G 毫米波前端芯片組包括兩個(gè)單通道(1T1R) 上/下變頻器(UDC)ADMV1128 和ADMV1139，以及兩個(gè)雙極化16 通道波束成形（BF）器件ADMV4828 和ADMV4928，采用了先進(jìn)的CMOS 工藝。與其它解決方案相比，該波束成形器提供的功率效率和線(xiàn)性輸出功率使毫米波相控陣設計的尺寸、重量、功率和成本得以降低。該全頻段上/下變頻器具有高驅動(dòng)電平，不需要提供不同頻段的多種型號，并合并了驅動(dòng)級，節省了物料成本。

2 第三代半導體的價(jià)值

為了滿(mǎn)足全頻譜覆蓋能力，業(yè)界努力探索各種創(chuàng )新的半導體材料和工藝技術(shù)。硅鍺（SiGe）技術(shù)采用相對較低的工作電壓（2 V 至3 V），但其集成優(yōu)勢非常有吸引力。GaAs 擁有微波頻率和5 V 至7 V 的工作電壓，多年來(lái)一直廣泛應用于功率放大器。硅基LDMOS 技術(shù)的工作電壓為28 V，已經(jīng)在電信領(lǐng)域使用了許多年，但其主要在4 GHz 以下頻率發(fā)揮作用，因此在寬帶應用中的使用并不廣泛。而新興GaN 技術(shù)的工作電壓為28 V 至50V，擁有低損耗、高熱傳導基板（如碳化硅，SiC），開(kāi)啟了一系列全新的可能應用。對微波相關(guān)半導體技術(shù)，ADI 無(wú)疑選擇了“ 全面開(kāi)花”——無(wú)論是GaN 還是GaAs 或者是SiGe 等半導體材料，ADI 都有相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品推出，如HMC994/998/907/797APM5E 系列GaAs 類(lèi)的PA 產(chǎn)品，最大的特點(diǎn)是可以從0 Hz 到30 GHz的信號和帶寬放大。ADI 利用GaN 技術(shù)生產(chǎn)高度差異化的射頻和微波功率放大器，這使ADI 的產(chǎn)品能夠達到更高的輸出功率水平，提高效率，并擴展頻率帶寬。HMC1099PM5E 和HMC8205 就是兩個(gè)很好的例子。

3 展望6G

業(yè)界普遍將100 GHz 以上的太赫茲頻段視為6G 最可能使用的工作頻段。相比于毫米波，太赫茲頻段頻率更高、通信容量更大，具有傳輸速率高、抗干擾能力強和易于實(shí)現通信探測一體化等特點(diǎn)，并且是電磁波譜中唯一尚待開(kāi)發(fā)的新頻段，頻譜資源極為豐富。借助太赫茲頻段大帶寬特性，足以支持6G 所需超高傳輸速率和超大傳輸容量的能力。此外，未來(lái)的6G 網(wǎng)絡(luò )將是一個(gè)地面無(wú)線(xiàn)與衛星通信集成的天地一體化全連接世界，通過(guò)將衛星通信整合到6G 移動(dòng)通信，實(shí)現全球無(wú)縫覆蓋。

ADI 射頻微波產(chǎn)品提供業(yè)界廣泛的能力以及深厚的系統設計專(zhuān)業(yè)知識，包括面向DC 到100 GHz 以上應用的完整“波束至比特”產(chǎn)品系列。同時(shí)，ADI 的高性能信號鏈產(chǎn)品在全球航空航天市場(chǎng)一直處于比較領(lǐng)先的地位，對于商用衛星也發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。相信隨著(zhù)6G 的研究和推進(jìn)，ADI 將繼續在該領(lǐng)域扮演關(guān)鍵技術(shù)賦能者角色。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年6月期）