毫米波技术已步入正轨,正在快速发展

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对于速度和无所不在的连接的需求是技术演变到THz技术这场革命的主要驱动 MHz力。十年前,谁会想到现在的世界正在尝试将数十亿台设备通过互联网连接在一起,并准备在几秒内将一部电影下载到智能手机?无线应用已经从点到点演进到广播系统再到网状和蜂窝网络,现在人们正在探索点对点和蜂窝相结合的定向网络系统。

 

毫米波是指波长在1到10毫米之间的电磁波,即频率范围在30到300GHz之间。毫米波技术的创新应用包括电信、无线通信、汽车、国防和航空航天、成像、安全、医疗和其它工业应用。

 

然而,对于无线通信和汽车雷达传感器这两个增长最快速的应用,毫米波通常是指频率范围在24至86GHz之间的多个频带。本文重点介绍了该频率范围的技术和主要应用。

 

与较低频率相比,毫米波频谱具有许多优点,因为它不会发生阻塞,并且具有10Gbps甚至更高速率的数据传输能力。由于其传输距离比较短,频率复用在许多应用中是一大优势。组件尺寸较小,尤其是天线,也是一大优势。缺点是,由于较高的传播损耗,其传输距离通常小于较低频率,而且目前其成本较高。

 

增长预期毫米波技术市场预计在未来五年内将增长10倍,达到40亿美元以上。由于移动数据流量的增长和small cell回程网络的使用率上升,这一市场的增长正在加速。电信是毫米波技术的最大市场之一,因为它们已被广泛应用于small cell回程网络。毫米波回程设备已经是LTE/4G部署不可或缺的一部分。对于5G,总数据速率预计将比现有4G数据速率高出1000倍;因此,将更加需要毫米波频谱来提供所需的数据速率。与6GHz以下频谱低于1GHz的可用带宽相比,24至86GHz频率范围有望提供约20GHz的可用带宽。这使得海量数据传输成为可能(图1)。

 

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图1 美国无线通信可用的频段

 

毫米波商业市场的增长开始于20世纪90年代初期对蜂窝回程的需求。当时,较低频率(1至18GHz)的远程无线电中继链路已经使用了很长一段时间,但是快速发展的蜂窝基础设施需要更高的频率和更短程的链路。这些点对点无线电使用23、 26和38GHz的许可频段(图2),辐射范围不足10公里,使得在快速部署阶段得以建立全球移动通信基础设施。当RF技术发展到MMIC的应用不断增加时,这些进步就应运而生。最近新增了一些更高的频率,包括免许可的57至64GHz频带和71-76和81-86GHz的lightly licensed频段,这些频段提供了更高的带宽、更大的容量和更小的尺寸,但传播距离也更短。所有这些频段目前正用于蜂窝通信基础设施内外的点到点数字无线电链路,提供数Gbps的容量。这一应用主要采用光纤链路,但是毫米波链路能够以更低的成本和更快的速度实现这一应用。此外,许多地方由于地形或其它因素,甚至无法使用光纤链路。

 

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图2 德国汉堡微波塔

 

半导体技术

 

过去二十年半导体技术的快度发展主要是因为毫米波能够满足不断增长的速度、带宽和连接需求。 III-V族化合物半导体已经担起了这个重任,从一开始便用于支持毫米波MMIC。除了在电路功能这一部分继续发挥作用之外,毫米波通信铺平了道路,正如这在军用雷达领域一样。

 

CMOS和SiGe技术的进步使得毫米波频率的使用成本降低到较为合理的水平。过去十年才实现了模拟组件的封装(用于生成毫米波射频信号)以及数字硬件的开发(用于处理大量带宽)。现在使用CMOS和SiGe制造的晶体管具有足够快的速度,能够在数百GHz范围内运行,如表1所示。 SiGe HBT目前广泛用于许多应用中,因为它速度快、集成度高,但击穿电压较低,不过在许多情况下可以通过堆叠来克服这一问题。

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图3 HRL GaN功率放大器MMIC 70至105GHz BAL-WPA

 

 

低成本的电路生产工艺使得片上系统(SoC)毫米波无线电成为可能, SoC是指将所有模拟和数字无线电组件完全集成到单个芯片上。对于毫米波通信,半导体行业已准备好生产经济高效的大众市场产品。对于需要高度定制性能的小批量应用,屏蔽金属外壳通常采用基于陶瓷/石英基板的薄膜混合技术和毫米波MMIC,薄膜混合技术常用于滤波器/配电电路。这些应用包括测试设备、卫星通信、回程无线电和军工航天应用。图5显示了使用陶瓷基板和毫米波MMIC的E-Band收发器(无盖)。

 

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图5 E频段收发仪

 

 

 

汽车雷达

 

历史

 

汽车雷达的研发始于20世纪70年代。1989年,在测试了不同频率的雷达后, WARC(World Administrative Radio Conference)确定了77GHz频段作为汽车雷达的频段。但直到1998年,梅赛德斯才率先开发出77GHz的商用产品。 2006年,为了满足更短距离应用的需求,24GHz雷达诞生了。77GHz雷达主要用于障碍物检测和自动巡航控制(ACC),而24GHz则用于盲点检测和车道偏离警告。图6显示了汽车雷达发展的时间表。美国国家公路交通安全管理局表示,去年有20家美国汽车制造商达成协议,从2022年9月1日起生产的所有新车将配备自动紧急制动(AEB)系统。由于多年来其成本不断降低,现在道路上已有数百万辆汽车配备了雷达传感器。

 

 

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图6 汽车雷达历史时间表

 

 

 

汽车雷达是先进驾驶辅助系统(ADAS)的关键传感器。其它传感器包括激光雷达(LiDAR)、超声波传感器和摄像头视觉系统。与雷达相比,今天的LiDAR可以提供更高的分辨率,并可以构建目标的3D图像。然而,LiDAR的成本非常昂贵,而且在恶劣天气和夜晚的使用受限,传播距离也更短。图7显示了由各类传感器组成的典型ADAS系统。

 

 

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图7 高级驾驶辅助系统的传感器

 

 

ADAS的快速发展为全自动驾驶车辆的发展铺平了道路。曾经,ADAS系统或相关组件仅出现在高端豪华车上。但现在,由于技术的演进和成本的降低, ADAS系统也开始出现在中端和经济型车辆上。消费者对ADAS的需求很高,各国政府正在考虑通过法律,使这种系统成为所有车辆的标配。研究表明, ADAS系统显著降低了致命事故率,这一结果推动了对雷达传感器的需求。世界卫生组织称,每年有超过一百万人死于交通事故。一旦ADAS系统全面部署,预计这个数字将下降超过50%。

 

为了降低成本和减小尺寸,汽车制造商希望将多个ADAS功能集成到单个平台上,以处理来自不同类型传感器的数据。“传感器融合”是指将不同传感器得到的数据组合起来,以提供更高的准确度,相比独立使用各个传感器,信息更为全面。传感器融合,尤其是雷达芯片和成像传感器(摄像头)的结合,已经日益普及。

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