5G推动多个行业的毫米波技术

当今世界的技术继续以更高的频率来解决问题并提高性能。正是这些毫米波（mmWave）频率为解决通信和国防等许多行业中最苛刻的要求提供了希望。5G通信系统受益于国防公司针对不同应用但需求相似的多年研究。在电信链路中，对更高数据速率的需求继续超过现有技术，解决方案正在向28 GHz和39 GHz发展。

这种高频IC发展增加的结果是军队在战场上需要应对的技术数量增加。国防应用，例如在海上拯救滞留的船员时，受益于高频雷达的分辨率提高，可以更清楚地解析物体。此外，许多为电信设计的IC必须低成本并适合大批量生产，以使其更易于部署。所有这些活动的副产品是需要测试仪器来验证解决方案是否在整个应用空间中发挥作用。

本文将简要描述有多少行业对共享的通用技术受益或做出反应。检查IC供应链以及IC供应链如何应对这些新要求。本文还将展示毫米波频率如何帮助解决当今的挑战，然后介绍实现这一目标的ADI技术示例。

无线电子的交织世界

行业通常可以从为不同行业的应用创建的技术中受益。微波炉通常归功于一位从事雷达工作的工程师，他注意到他的午餐在测试过程中融化了。我们看到这种情况正在发生，5G电信试图实现国防工业通过相控阵天线创造的好处。未来，国防工业很可能反过来能够实现5G进步带来的新技术，从而在它们之间建立循环关系。

同样，卫星通信正在经历技术转变，从地球同步赤道轨道（GEO）或地球静止卫星转向探索低地球轨道（LEO）卫星，这些卫星将提供更高的数据吞吐量和更好的地球覆盖范围。这个想法从一颗或几颗围绕地球运行的GEO卫星转移到给定网络的数千颗卫星。目前有许多运营商试图为宽带互联网使用创建新的LEO星座，而许多争夺提供卫星的公司都是完善对军事监视和通信至关重要的GEO卫星的国防公司。

这种从为不同目的而创造的技术中受益的循环已经发生在各个市场，并将持续数年。现在，我们将探讨为什么毫米波频率有助于防御和通信。

更高的频率可实现更高的数据速率和更宽的通信带宽

随着移动通信在过去 20 年中的激增，我们看到对更高数据速率的需求不断增加。每隔几年，就会推出一个新的无线标准，定义新的协议以提高数据吞吐量。吞吐量的这些改进通常与更复杂的调制方案相关，这些调制方案可以同时传输多条信息。随着调制方案变得越来越复杂，传输更多数据的能力也在增长。然而，在某一点上，调制复杂性的额外增加并不能显著提高吞吐量。因此，调制信号的常用方法是将其分布在载波频率周围的频率范围内。因此，提高吞吐量的另一种方法是增加调制信号的带宽（FBW），将其传播到更宽的频率范围内。为了不断增加我们可以传播信号的量，我们需要增加载波频率（FC），以免延伸到直流以下。这种通过移动到更高频率同时传输更多数据的能力正在推动应用向毫米波频率发展。

电子战如何受到5G的影响

当今的军事冲突越来越多地以电子方式进行，从而产生了电子战的概念。它的关键组件之一是雷达，它只是传输信号并等待它返回，映射雷达的视野。雷达系统已经发展了100多年，其主要优点是检测和绘制超出人类可见范围的物体。这使雷达操作员比没有雷达的对手具有相当大的优势。因此，雷达技术多年来一直在不断发展。因此，我们现在看到雷达用于日常天气报告、空中交通管制和新兴应用，例如在汽车行业，雷达用于感知汽车和物体之间的距离。UHF和VHF频率的传统低频雷达系统已被用作长距离的早期探测雷达。快速移动的飞机更经常在X波段频率（8 GHz至12 GHz）下运行，这些频率受益于更高的分辨率和更小的天线。战斗机中用于部署和瞄准导弹的雷达系统通常在Ka波段频率（33 GHz至37 GHz）下运行。在94 GHz下，制导弹药和导弹的发展越来越多。雷达系统转向更高频率有几个好处，我们可以通过查看有助于表征分辨物体能力的距离分辨率和角分辨率来了解这些好处。转向更高频率的第一个好处是天线的尺寸缩小以获得给定的角度分辨率，这是安装到小型弹药中的关键。另一种查看方式是，对于给定的天线尺寸，角分辨率在较高频率下增加。雷达的距离分辨率与调制带宽成正比，如前所述，在更高频率下会有所改善。因此，由于应用需要更高的分辨率，因此转向更高的频率是有好处的。

图1.调制带宽以载波频率为中心。

传统上，国防公司的电子战系统在2 GHz至18 GHz之间运行，涵盖S，C，X和Ku波段雷达。随着威胁范围的扩大，电子设备也会监听它们，并最终抵消它们。我们可以看到，在28 GHz和39 GHz下运行的5G设备接近用于导弹制导的现有Ka波段频率。因此，对电子战系统的新要求将扩展到涵盖从24 GHz到44 GHz的5G频率，并且这些频率将有更多的电子设备可供军队在战场上考虑。通常，电子战的主要作用是监听威胁，然后以电子方式干扰威胁，同时保持不被发现。由于威胁可能来自各种频率，因此监听设备（紧随其后的干扰设备）需要处理宽频带的操作。

一项多年来一直用于国防应用的关键技术已成为5G电信的理想之选。相控阵天线技术是5G的理想选择，具有国防工业也认为有价值的几个功能。这些关键属性包括传输多个数据流或辐射图的能力。在国防应用中，这可能允许战斗机一次跟踪多个目标，而在5G电信中，它允许他们一次向多个用户传输数据。同样，国防应用需要能量瞄准一个方向的光束，从而提供低拦截或干扰概率。电信受益于消耗更少的功耗，因为它们能够更有效地将信息定位到用户。

这两种应用都受益于几乎立即重新定位光束的能力。电信和国防工业都会欣赏许多其他好处，使这项技术具有吸引力。

5G 对 IC 的影响

当今世界非常依赖移动通信。如图2所示，支持这种5G蜂窝基础设施的先进技术是许多电信设备提供商及其基于IC的供应链的重要增长领域。这一重大的增长机会催生了数百万甚至数十亿美元的投资来实现这些下一代产品。构成这些系统的核心组件是通过网络路由数据的IC。我们可以看到，IC供应链的每个方面都在适应和发展。从这些产品的最终测试解决方案可用的铸造工艺开始，我们看到支持这些产品的技术的重大创新。

提供晶圆制造服务的各种半导体代工厂为IC创造了基础材料，并不断创新。许多代工厂已经开发出新的工艺技术来竞争并实现这种新的5G技术。这种改进的一个例子可能是与电子束光刻相比，转向更具成本效益的光学光刻技术。另一个好处是将新功能集成到一个工艺节点中，以在这个价格敏感的市场中竞争。

随着新工艺技术的出现，IC设计也在不断发展。通过在一个工艺节点中提供新功能，IC设计人员能够将某些功能组合到一个产品中，或者从内核晶体管中提取比以前更高水平的性能。这些趋势最终导致芯片集成度更高，部署更容易。随着我们扩展到毫米波频率，同样具有吸引力的是能够利用低成本封装，这使得组装更容易。毫米波频率下的传统防御组件一直是芯片和电线组件，这转化为一个小型金属外壳，其中芯片相互引线键合。这不是一种大批量组装方法，通常比表面贴装组装技术更昂贵。过去几年的主要动机是规模限制。然而，随着性能的提高，与更小封装的集成度越来越高，使得表面贴装装配更具吸引力。

空中测试等测试解决方案已成为相控阵天线及其28 GHz和39 GHzIC的现实。 以前，为了能够测试相控阵天线，您通常需要一个大型、难以建造、价格昂贵等的消声室。现在，这些测试解决方案变得越来越实惠、更小、更现成，这大大增加了可以提供完整天线解决方案的供应商数量，而无需大量投资来测量最终产品。相控阵天线已经从主要由国防公司和大学探索的技术转变为正在成为主流的技术。它不仅允许瞄准5G机会的电信公司利用这项新技术，而且还可以更好地防御新出现的防御威胁。以前经验不足的天线工程师面临的挑战现在可以通过标准仪器供应商现成的精确测量技术更快地解决。

其结果是业界有更多的毫米波产品可以部署在通信和国防应用中。通常，用于蜂窝基础设施的产品在规格和功能上与国防和仪器仪表行业的需求接近。正是这种现成的IC和测试解决方案的增长，使最终产品的快速实现成为可能，这大大降低了国防工业毫米波频率的威胁水平。

ADI公司帮助多个行业感受到5G效应

ADI公司已投入巨资开发5G电信解决方案，以及将受到影响的仪器仪表和国防行业。电信市场的产品往往是较窄的频段，可以更容易地优化性能。国防工业通常需要宽带宽解决方案，因为如果没有高级知识，威胁可能来自多个频率。

HMC863ALC4是28 GHz 5G电信基础设施中使用的功率放大器（PA）的一个示例，其覆盖范围为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表面贴装封装，同时产生接近40 dBm的三阶交调截点（TOI）。性能曲线如图3所示。

图3.HMC863A测量增益（左）和OIP3（右）与温度的关系。

此外，ADI公司还为国防和仪器仪表市场开发了解决方案，例如ADPA7005，频率为20 GHz至44 GHz。ADPA7005支持超过倍频程的工作带宽，并在整个工作频带内提供大于1 W的饱和输出功率。在整个频率范围内具有标称值为15 dB的一致增益，可轻松集成到整个系统中。此外，超过 40 dBm 的高 TOI 非常适合测量或生成高度调制的输入信号。TOI和饱和功率的性能图如图4所示。

图4.ADPA7005测量了饱和功率（左）和OIP3（右）与温度的关系。

电信网络的进步在外围行业引起了反应，这种反应将在未来几年内展开。这种迁移的核心是需要以数据形式提供更多信息，这些信息可能会创造出永远不会物理击中物体的新武器。当今世界的应用频率越来越高，而这才刚刚开始。

审核编辑：郭婷