5G推動多個產業中的毫米波技術

作者: ADI射頻/微波放大器及相位陣列IC產品線總監 Keith Benson

摘要

為了解決問題並提高性能，目前全球技術所採用的頻率不斷提高。毫米波(mmWave)頻率為因應通訊和防務等眾多產業中的嚴苛要求帶來了希望。5G通訊系統受益於防務公司多年的研究成果，雖然它們針對的應用不同，但需求類似。在電信鏈路中需要更高的資料速率，不斷超出現有技術能力，其解決方案正在向28 GHz和39 GHz發展。

不斷增加的高頻IC開發，導致軍用設施在戰場上需要因應的技術量增加。高頻雷達解析度的提高可以更清晰地解析目標，使防務應用（例如救助滯留海上的機組人員時）受益。此外，許多專為電信設計的IC必須具有低成本並且適合大規模生產，以便更易於部署。所有這些活動的一個副產品，是需要可以驗證解決方案在整個應用領域中能正常工作的測試儀器。

本文將簡要介紹共用通用技術將使哪些產業受益或受到影響。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説明解決當今的挑戰，然後舉例說明ADI技術如何使之成為可能。

無線電子設備交織的世界

為某個不同產業應用創建的技術通常會使多個產業受益。微波爐被公認為是一位雷達工程師的功勞，他在測試過程中發現自己的午餐被融化了。如今，我們看到類似情況正在發生，5G電信正試圖實現防務產業利用相控陣天線所帶來的益處。將來，防務產業很可能又會反過來實現5G進步所帶來的新技術，從而建立起良性循環。

同樣的，衛星通訊正在經歷一場技術變革，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，後者將能提供更高的資料輸送量和對地球更好的覆蓋率。其理念是，在給定網路中從繞地球運行的一顆或幾顆GEO衛星轉為數千顆(LEO)衛星。有許多營運業者正試圖創建因應寬頻互聯網的全新LEO衛星群，而許多爭相提供衛星的公司正是同一批防務公司，它們擁有完備GEO衛星，而這些衛星對軍用監控和通訊來說至關重要。

這種從為不同目的而創造的技術中受益的循環已經出現在各個市場中，並還將持續數年。現在，我們將探討為何毫米波頻率對防務和通訊都有幫助。

更高頻率助力實現更高資料速率和更寬通訊頻寬

在過去20年間，隨著行動通訊的激增，對更高資料速率的需求不斷增長。每隔幾年就會導入一個新的無線標準來定義新協定以增加資料輸送量。這些輸送量的提高通常與更複雜的調變方案相關，以便同時傳輸多個資訊。隨著調變方案變得更加複雜，傳輸更多資料的能力也在增長。然而，調變複雜度增加到某個程度就不再能提供顯著的輸送量改善。故而訊號調變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，提高輸送量的另一種方法是將調變訊號(FBW)擴展到更寬的頻率範圍內來增加其頻寬。為了不斷增加可擴展訊號的數量，我們需要增加載波頻率(FC)以使其不低於直流。透過轉移到更高頻率以實現同時傳輸更多資料的能力將應用推向了毫米波頻率。

5G對電子戰有何影響

當今的軍事衝突越來越多以電子方式進行對抗，這引發了電子戰的構想。電子戰的關鍵元件之一是雷達，只需發送一個訊號並等待訊號返回，即可對雷達視野範圍進行測繪。雷達系統已經經歷了100多年的發展，其主要優勢是可以檢測和測繪人類看不見的目標物。這使雷達操作員比沒有雷達的對手擁有更大的優勢。因此，雷達技術多年來一直在持續發展。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，例如在汽車產業中利用雷達來檢測汽車與目標物之間的距離。採用UHF和VHF頻率的傳統低頻雷達系統已經被應用於超長距離早期探測雷達。快速移動的飛機更常在X頻段頻率（8 GHz至12 GHz）運行，從而可以受益於更高解析度和更小尺寸的天線。用於戰鬥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發正在不斷增加。雷達系統轉向更高頻率具有諸多優勢，我們可以通過查看表徵目標解析能力的距離解析度和角度解析度來瞭解這些優勢。轉向更高頻率的第一個優勢是實現給定角度解析度的天線尺寸會縮小，該解析度是小型軍備安裝的關鍵。從另一個角度來看，對於給定天線尺寸，更高頻率下的角度解析度會增加。雷達的距離解析度與調變頻寬成正比，如上所述，在更高的頻率下會提高距離解析度。因此，由於應用要求更高的解析度，轉向更高頻率會帶來優勢。

傳統上，防務公司的電子戰系統運行於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。隨著威脅的距離增加，進行偵聽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設備接近於用於導彈制導的現有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頻率範圍，並且在這些頻率上將有更多電子手段可考慮用於軍事戰場。通常，電子戰的主要作用是偵聽威脅，然後以電子方式干擾威脅，同時不被發現。由於威脅可能來自各種不同的頻率，因此偵聽設備（後面緊接著的是干擾設備）需要具備寬工作頻段。

在防務應用中採用多年的關鍵技術已經成為5G電信的理想技術。相位陣列天線技術便非常適合5G應用，它的多個特性對防務產業也相當具價值。這些關鍵屬性包括傳輸多個資料流程或輻射圖的能力。在防務應用中，這使得戰鬥機能夠一次跟蹤多個目標，而在5G電信中，它可以一次將資料傳輸給多個用戶。同樣，防務應用需要可將能量對準一個方向的波束，從而降低被攔截或干擾的可能性。電信能夠更高效地將資訊定向發送給使用者，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。深受電信和防務產業青睞的許多其他優勢使該技術頗具吸引力。

5G對IC的影響

當今世界非常依賴於行動通訊。支援5G蜂巢式基礎設施的先進技術對於許多電信設備提供商及其基於IC的供應鏈（如圖2所示）而言，是一個重要的增長領域。這一巨大的增長機會催生了數百萬甚至數十億美元的投資，以實現下一代產品。構成這些系統的核心元件是透過網路路由資料的IC。我們可以看到，IC供應鏈的各個方面都在改變和發展（如圖2所示）。我們看到，從這些產品可用的晶圓製造工藝到最終測試解決方案，支援這些產品的技術都發生了重大的創新。

提供晶圓製造服務的眾多半導體代工廠為IC創造了基礎材料，並不斷創新。許多代工廠已經開發出新的製程技術來參與競爭並實現5G新技術。這種改進的示例之一，是轉向比電子束光刻更具成本效益的光學光刻。另一個優勢是可以將新功能整合到單個製程節點中，以在價格敏感的市場中參與競爭。

隨著新製程技術的推出，IC設計也在不斷演進中。透過在單個製程節點中提供新功能，IC設計人員能夠將某些功能組合到一個產品中，或者從核心電晶體中提取比以前更高的性能。這些趨勢最終導致晶片的整合度提高，並且更易於部署。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勢，使裝配更加容易。毫米波頻率下的傳統防務裝配方式是晶片-引線互連裝配法，即轉換成小型金屬外殼，晶片之間採用引線相互鍵合。這並不是一種大批量裝配方法，並且通常比表面黏著技術更貴。過去幾年一直採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更高整合度和更高的性能，表面黏著更具吸引力。

對於在28 GHz和39 GHz下的相位陣列天線及其IC，OTA測試等測試解決方案已經成為現實。以前，要測試相位陣列天線，通常需要一個大的電波暗室，它不僅難以構造且價格昂貴。現在，這些測試解決方案變得更為經濟、更小型化並且現成可用，從而導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品的供應商數量大大增加。相位陣列天線已經從主要用於防務公司和大學的探索性技術轉變為主流技術。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，而且還能更佳地防禦新興防務威脅。現在，標準儀器供應商提供的精確測量技術，已經可以更快地解決經驗不足的天線工程師之前面臨的挑戰。

這樣一來，業界便可提供更多的毫米波產品，這些產品既可以部署在通訊應用中，也可以用於防務應用。通常，用於蜂巢式基礎設施的產品在規格和功能上與防務和儀器儀錶產業產品的需求很接近。易於獲取的IC和測試解決方案的發展加快了最終產品的上市時間，而這大幅降低了防務產業中毫米波頻率出現威脅的等級。

ADI助力多個產業體驗5G效應

除了會受到影響的儀器儀錶和防務產業以外，ADI還投入鉅資開發5G電信解決方案。因應電信市場的產品往往頻段較窄，因此更易於進行性能優化。防務產業通常需要寬頻寬解決方案，因為在缺乏超前認知的情況下，威脅可能來自多個頻率。

用於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頻率範圍，並能提供大於0.5 W的RF功率。PA採用一個小型4 mm × 4 mm表面貼封裝，可產生接近40 dBm的三階交調點(TOI)。性能曲線如圖3所示。

此外，ADI還針對防務和儀器儀錶市場開發了解決方案，例如可覆蓋20 GHz至44 GHz頻率範圍的ADPA7005。ADPA7005支持倍頻程範圍工作頻寬，並可在整個工作頻段內提供大於1 W的飽和輸出功率。整個頻率範圍上的一致增益標稱值為15 dB，使其可以輕鬆整合到完整的系統中。此外，40 dBm以上時的高TOI是測量或生成高調變輸入訊號的理想選擇。TOI和飽和功率的性能曲線如圖4所示。

電信網路的發展已經對周邊產業產生了影響，該影響將在未來幾年內逐漸展現。這種變遷的核心是需要以資料形式提供更多資訊，這些資訊將有可能創造出永遠不會對目標進行物理攻擊的新武器。當今世界的應用所採用的頻率正不斷提高，而這只是個開始。