不斷增加的高頻IC開(kāi)發(fā)導致軍用設施在戰場(chǎng)上需要應對的技術(shù)量增加。高頻雷達分辨率的提高可以更清晰地解析目標，使防務(wù)應用（例如救助滯留海上的機組人員時(shí)）受益。此外，許多專(zhuān)為電信設計的IC必須具有低成本并且適合大規模生產(chǎn)，以便更易于部署。所有這些活動(dòng)的一個(gè)副產(chǎn)品是需要可以驗證解決方案在整個(gè)應用領(lǐng)域中能正常工作的測試儀器。

 

本文將簡(jiǎn)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供應鏈以及IC供應鏈如何應對這些新需求。本文還將展示毫米波頻率如何幫助解決當今的挑戰，然后舉例說(shuō)明ADI技術(shù)如何使之成為可能。

 

無(wú)線(xiàn)電子設備交織的世界

 

為某個(gè)不同行業(yè)應用創(chuàng )建的技術(shù)通常會(huì )使多個(gè)行業(yè)受益。微波爐被公認為是一位雷達工程師的功勞，他在測試過(guò)程中發(fā)現自己的午餐被融化了。如今，我們看到類(lèi)似情況正在發(fā)生，5G電信正試圖實(shí)現防務(wù)行業(yè)利用相控陣天線(xiàn)所帶來(lái)的益處。將來(lái)，防務(wù)行業(yè)很可能又會(huì )反過(guò)來(lái)實(shí)現5G進(jìn)步所帶來(lái)的新技術(shù)，從而建立起良性循環(huán)。

 

同樣，衛星通信正在經(jīng)歷一場(chǎng)技術(shù)變革，從地球同步赤道軌道(GEO)或地球靜止軌道衛星轉向探索近地軌道(LEO)衛星，后者將能提供更高的數據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衛星轉為數千顆(LEO)衛星。有許多運營(yíng)商正試圖創(chuàng )建面向寬帶互聯(lián)網(wǎng)的全新LEO衛星群，而許多爭相提供衛星的公司正是同一批防務(wù)公司，它們擁有完備GEO衛星，而這些衛星對軍用監控和通信來(lái)說(shuō)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)出現在各個(gè)市場(chǎng)中，并還將持續數年?，F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(shí)現更高數據速率和更寬通信帶寬

 

在過(guò)去20年間，隨著(zhù)移動(dòng)通信的激增，對更高數據速率的需求不斷增長(cháng)。每隔幾年就會(huì )引入一個(gè)新的無(wú)線(xiàn)標準來(lái)定義新協(xié)議以增加數據吞吐量。這些吞吐量的提高通常與更復雜的調制方案相關(guān)，以便同時(shí)傳輸多個(gè)信息。隨著(zhù)調制方案變得更加復雜，傳輸更多數據的能力也在增長(cháng)。然而，調制復雜度增加到某個(gè)程度就不再能提供顯著(zhù)的吞吐量改善。故而信號調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制信號(FBW)擴展到更寬的頻率范圍內來(lái)增加其帶寬。為了不斷增加可擴展信號的數量，我們需要增加載波頻率(FC)以使其不低于直流。通過(guò)轉移到更高頻率以實(shí)現同時(shí)傳輸更多數據的能力將應用推向了毫米波頻率。

 

5G對電子戰有何影響

 

當今的軍事沖突越來(lái)越多地以電子方式進(jìn)行對抗，這引發(fā)了電子戰的構想。電子戰的關(guān)鍵組件之一是雷達，只需發(fā)送一個(gè)信號并等待信號返回，即可對雷達視野范圍進(jìn)行測繪。雷達系統已經(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(lèi)看不見(jiàn)的目標物。這使雷達操作員比沒(méi)有雷達的對手擁有更大的優(yōu)勢。因此，雷達技術(shù)多年來(lái)一直在持續發(fā)展。如今，我們看到雷達用在日常天氣預報、空中交通管制以及新興應用中，例如在汽車(chē)行業(yè)中利用雷達來(lái)檢測汽車(chē)與目標物之間的距離。采用UHF和VHF頻率的傳統低頻雷達系統已經(jīng)被應用于超長(cháng)距離早期探測雷達?？焖僖苿?dòng)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(xiàn)。用于戰斗機中部署和瞄準導彈的雷達系統通常在Ka頻段（33 GHz至37 GHz）運行。94 GHz下的制導彈藥和導彈開(kāi)發(fā)正在不斷增加。雷達系統轉向更高頻率具有諸多優(yōu)勢，我們可以通過(guò)查看表征目標解析能力的距離分辨率和角度分辨率來(lái)了解這些優(yōu)勢。轉向更高頻率的第一個(gè)優(yōu)勢是實(shí)現給定角度分辨率的天線(xiàn)尺寸會(huì )縮小，該分辨率是小型軍備安裝的關(guān)鍵。從另一個(gè)角度來(lái)看，對于給定天線(xiàn)尺寸，更高頻率下的角度分辨率會(huì )增加。雷達的距離分辨率與調制帶寬成正比，如上所述，在更高的頻率下會(huì )提高距離分辨率。因此，由于應用要求更高的分辨率，轉向更高頻率會(huì )帶來(lái)優(yōu)勢。

 

圖1. 以載波頻率為中心的調制帶寬

 

傳統上，防務(wù)公司的電子戰系統運行于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。隨著(zhù)威脅的距離增加，進(jìn)行偵聽(tīng)的電子設備也將增加，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設備接近于用于導彈制導的現有Ka頻段。因此，對電子戰系統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場(chǎng)。通常，電子戰的主要作用是偵聽(tīng)威脅，然后以電子方式干擾威脅，同時(shí)不被發(fā)現。由于威脅可能來(lái)自各種不同的頻率，因此偵聽(tīng)設備（后面緊接著(zhù)的是干擾設備）需要具備寬工作頻段。

 

在防務(wù)應用中采用多年的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)成為5G電信的理想技術(shù)。相控陣天線(xiàn)技術(shù)非常適合5G應用，它的多個(gè)特性對防務(wù)行業(yè)也很有價(jià)值。這些關(guān)鍵屬性包括傳輸多個(gè)數據流或輻射圖的能力。在防務(wù)應用中，這使得戰斗機能夠一次跟蹤多個(gè)目標，而在5G電信中，它可以一次將數據傳輸給多個(gè)用戶(hù)。同樣，防務(wù)應用需要可將能量對準一個(gè)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(hù)，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

 

當今世界非常依賴(lài)于移動(dòng)通信。支持5G蜂窩基礎設施的先進(jìn)技術(shù)對于許多電信設備提供商及其基于IC的供應鏈（如圖2所示）而言，是一個(gè)重要的增長(cháng)領(lǐng)域。這一巨大的增長(cháng)機會(huì )催生了數百萬(wàn)甚至數十億美元的投資，以實(shí)現下一代產(chǎn)品。構成這些系統的核心元件是通過(guò)網(wǎng)絡(luò )路由數據的IC。我們可以看到，IC供應鏈的各個(gè)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 供應鏈

 

提供晶圓制造服務(wù)的眾多半導體代工廠(chǎng)為IC創(chuàng )造了基礎材料，并不斷創(chuàng )新。許多代工廠(chǎng)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出新的工藝技術(shù)來(lái)參與競爭并實(shí)現5G新技術(shù)。這種改進(jìn)的示例之一是轉向比電子束光刻更具成本效益的光學(xué)光刻。另一個(gè)優(yōu)勢是可以將新功能集成到單個(gè)工藝節點(diǎn)中，以在價(jià)格敏感的市場(chǎng)中參與競爭。

 

隨著(zhù)新工藝技術(shù)的推出，IC設計也在不斷演進(jìn)。通過(guò)在單個(gè)工藝節點(diǎn)中提供新功能，IC設計人員能夠將某些功能組合到一個(gè)產(chǎn)品中，或者從核心晶體管中提取比以前更高的性能。這些趨勢最終導致芯片的集成度提高，并且更易于部署。隨著(zhù)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防務(wù)裝配方式是芯片-引線(xiàn)互連裝配法，即轉換成小型金屬外殼，芯片之間采用引線(xiàn)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(guò)去幾年一直采用此方法的主要原因是尺寸限制。但是，隨著(zhù)在更小封裝中實(shí)現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(xiàn)及其IC，OTA測試等測試解決方案已經(jīng)成為現實(shí)。以前，要測試相控陣天線(xiàn)，通常需要一個(gè)大的電波暗室，它不僅難以構造且價(jià)格昂貴?，F在，這些測試解決方案變得更為經(jīng)濟、更小型化并且現成可用，從而導致可以提供完整天線(xiàn)解決方案，而無(wú)需花費大量投資來(lái)測量最終產(chǎn)品的供應商數量大大增加。相控陣天線(xiàn)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在，標準儀器供應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(xiàn)工程師之前面臨的挑戰。

 

這樣一來(lái)，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用中，也可以用于防務(wù)應用。通常，用于蜂窩基礎設施的產(chǎn)品在規格和功能上與防務(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(shí)間，這極大地降低了防務(wù)行業(yè)中毫米波頻率出現威脅的等級。

 

ADI公司助力多個(gè)行業(yè)體驗5G效應

 

除了會(huì )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(kāi)發(fā)5G電信解決方案。面向電信市場(chǎng)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，因為在缺乏超前認知的情況下，威脅可能來(lái)自多個(gè)頻率。

 

用于28 GHz 5G電信基礎設施中的功率放大器(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(gè)小型4 mm × 4 mm表面貼封裝，可產(chǎn)生接近40 dBm的三階交調點(diǎn)(TOI)。性能曲線(xiàn)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(chǎng)開(kāi)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(gè)工作頻段內提供大于1 W的飽和輸出功率。整個(gè)頻率范圍上的一致增益標稱(chēng)值為15 dB，使其可以輕松集成到完整的系統中。此外，40 dBm以上時(shí)的高TOI是測量或生成高調制輸入信號的理想選擇。TOI和飽和功率的性能曲線(xiàn)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(lái)幾年內逐漸展現。這種變遷的核心是需要以數據形式提供更多信息，這些信息將有可能創(chuàng )造出永遠不會(huì )對目標進(jìn)行物理攻擊的新武器。當今世界的應用所采用的頻率正不斷提高，這只是個(gè)開(kāi)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(wú)線(xiàn)電子的IC設計。然后轉向IC設計工程師團隊管理，主要負責無(wú)線(xiàn)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(xiàn)總監。Keith目前擁有3項新穎放大器技術(shù)方面的美國專(zhuān)利。

 

 

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