毫米波元件的最新技術(shù)進(jìn)展
發(fā)布日期：2015年9月21日 瀏覽次數(shù)：
很久以來，毫米波元件與技術(shù)一直與輻射測量和安全的點(diǎn)到點(diǎn)通信有著緊密的聯(lián)系。但隨著產(chǎn)生和檢測頻率在30GHz以上信號(hào)的方法變得越來越實(shí)用，毫米波元件和子系統(tǒng)的使用正變得越來越廣泛。電磁仿真軟件工具的測量能力提高和功能增強(qiáng)因此也有了保障。由于設(shè)計(jì)和測量方法變得愈加高效，毫米波設(shè)計(jì)的成本效益越來越高，被許多人考慮作為各種應(yīng)用的解決方案，覆蓋了從汽車巡航控制系統(tǒng)和機(jī)場威脅檢測成像系統(tǒng)到高數(shù)據(jù)速率的個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(PAN)通信設(shè)備的廣大范圍。
毫米波頻率范圍一般被認(rèn)為從30GHz至300GHz，波長約1mm至10mm。由于波長很短，因此電路尺寸和結(jié)構(gòu)相應(yīng)的非常精細(xì)，加工難度通常比較大。雖然同軸電纜和連接器的生產(chǎn)已經(jīng)有了很大的改進(jìn)，同軸線可以支持毫米波范圍的頻率(一般約70GHz)，但大多數(shù)更高毫米波頻率選擇的傳輸線是波導(dǎo)管，由于其管道狀的外觀，波導(dǎo)管經(jīng)常被人稱為“管道系統(tǒng)”。波導(dǎo)管有許多種形式，包括矩形和圓形，具體尺寸還與頻率和波長有關(guān)，當(dāng)頻率提高到100GHz以上時(shí)尺寸就非常微小了。
盡管在加工(和測試)包括天線和波導(dǎo)管在內(nèi)的毫米波元件時(shí)歷來存在很大的困難，但可用帶寬對許多通信應(yīng)用來說非常有吸引力。例如，隨著最新無線通信網(wǎng)絡(luò)(包括使用長期演進(jìn)(LTE)和WiMAX技術(shù)的第4代(4G)蜂窩系統(tǒng))的服務(wù)提供商努力迎合用戶對傳送大量數(shù)據(jù)的增長性需求，他們在從一個(gè)蜂窩站點(diǎn)到另一個(gè)蜂窩站點(diǎn)的回傳連接中越來越多地面對臨“數(shù)據(jù)阻塞”。這些連接中有些還是用很長的電纜或光纖等傳統(tǒng)方法來實(shí)現(xiàn)的。
但微波射頻，特別是在免許可的60GHz頻段的微波射頻是金屬電纜或光纖的一種極具吸引力的替代品。在美國，這個(gè)免許可頻段范圍從57GHz到64GHz，日本則擴(kuò)展為59GHz至66GHz，或5GHz的重疊頻譜。這個(gè)帶寬支持高達(dá)1Gb/s的數(shù)據(jù)速率。另外，許多毫米波頻段(如60GHz)具有大氣衰減特征，因此使用這些頻段進(jìn)行通信幾乎不可能被竊聽，可以非常安全地傳輸敏感數(shù)據(jù)。
還在幾年前，使用這些頻率進(jìn)行視距范圍的短距離通信在經(jīng)濟(jì)上還是不可行的。但隨著毫米波頻率構(gòu)建模塊集成電路(IC)的發(fā)展，特別是基于硅的IC技術(shù)(如硅鍺(SiGe)或硅CMOS器件)的成熟，開發(fā)出用于60GHz通信鏈路以及用于汽車應(yīng)用的77GHz自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)、用于經(jīng)許可的E頻段點(diǎn)到點(diǎn)通信(71GHz至76GHz和81GHz至86GHz)、用于94GHz成像與數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的價(jià)格合理的毫米波元件已經(jīng)成為可能。
例如，為了使射頻設(shè)備的價(jià)格更加便宜，Vubiq公司采用IBM提供的硅鍺(SiGe)毫米波IC開發(fā)出了低成本、高數(shù)據(jù)速率、工作在60GHz的回傳射頻設(shè)備。這家公司創(chuàng)建了一種獨(dú)特的專利待批中的WR-15波導(dǎo)封裝，其中集成了射頻器件、嵌入式時(shí)鐘、中頻(IF)電子元件和支撐元件。
ELVA-1公司的毫米波事業(yè)部位于俄羅斯圣彼得堡，該公司從1993年就開始設(shè)計(jì)和制造毫米波元件、子系統(tǒng)和測試設(shè)備，這些產(chǎn)品主要用于挑選出來的大氣吸收頻段(如42GHz、70GHz和80GHz以及94GHz)，因而支持安全的通信。作為俄羅斯最大的毫米波硬件提供商，ELVA-1提供工作于71GHz至76GHz、81GHz至86GHz以及92GHz至95GHz頻段而且經(jīng)過認(rèn)證的射頻設(shè)備。這些射頻設(shè)備使用復(fù)雜的調(diào)制技術(shù)支持全雙工通信，容量高達(dá)1.25Gb/s，這些調(diào)制技術(shù)包括正交相移鍵控(QPSK)和正交幅度調(diào)制(QAM)。
回傳射頻設(shè)備供應(yīng)商Exalt Communications和Bridgewave Communications分別提供工作在42GHz和60GHz許可和免許可毫米波頻段的回傳射頻設(shè)備。Exalt公司的ExtremeAir室外射頻設(shè)備工作在42GHz許可頻段，工作距離可達(dá)24英里。Bridgewave公司的產(chǎn)品工作在60GHz和80GHz頻段，非常適合更短距離的連接。
對于那些從元件級(jí)往上設(shè)計(jì)毫米波系統(tǒng)的公司來說，有大量的可靠性元件供應(yīng)商可提供組裝射頻收發(fā)機(jī)或檢測系統(tǒng)所需的無源和有源元件，例如Aerowave、Ducommun、Endwave、Herley Defense Electronics、Microsemi、Millitech、QuinStar Technology和Spacek Labs。就拿Spacek公司來說，該公司能夠同時(shí)提供有源和無源毫米波元件，包括放大器、濾波器、混頻器和頻率高達(dá)110GHz的耿氏(Gunn)振蕩器。為了幫助設(shè)計(jì)工程師的工作，Aerowave公司的Paul Chorney提供了多種計(jì)算器(excel電子表格)，對于處于毫米波頻率的波導(dǎo)設(shè)計(jì)來說，這種計(jì)算器非常有用。同樣，Ducommun公司在其網(wǎng)站上發(fā)布了多個(gè)參考設(shè)計(jì)，包括矩形和圓形波導(dǎo)管、法蘭類型以及轉(zhuǎn)換圖表。
開發(fā)價(jià)格合理的毫米波器件解決方案的關(guān)鍵之一是設(shè)計(jì)適合這些頻率的價(jià)格合理的封裝，而Endwave公司已經(jīng)成功地將傳統(tǒng)表貼封裝應(yīng)用于毫米波應(yīng)用。這家公司是高頻單片微波集成電路(MMIC)和一體化發(fā)送/接收模塊的領(lǐng)先供應(yīng)商，對性能增強(qiáng)的高頻封裝存在內(nèi)部需求。通過對四方扁平無引線(QFN)封裝重新進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，Endwave的設(shè)計(jì)工程師能夠?qū)⒂行У纳舷揞l率從25GHz翻倍提升至50GHz。
雖然通信鏈路為毫米波技術(shù)提供了最有前途的機(jī)會(huì)，但毫米波技術(shù)也能應(yīng)用于其它重要的市場領(lǐng)域，包括反恐戰(zhàn)爭。例如，Millivision公司已經(jīng)在毫米波技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)出無源威脅檢測系統(tǒng)。這些系統(tǒng)不產(chǎn)生電磁波，但能夠使用無源毫米波傳感器檢測生物體發(fā)出的射頻信號(hào)。這些傳感器與關(guān)聯(lián)的視頻攝像機(jī)一起用于檢測某一方面的目標(biāo)。這家公司的自動(dòng)威脅檢測(ATD)工具可將檢測到的信號(hào)合并到實(shí)時(shí)視頻圖像中，因此不需要直接觀察毫米波信號(hào)本身。這些系統(tǒng)可以分辨出每一面尺寸小于2英寸的物體。
針對研究項(xiàng)目，SynView公司在太赫茲頻率(100GHz至10THz)成像基礎(chǔ)上開發(fā)出了一種三維(3D)成像系統(tǒng)。像紙張、塑料和合成品等許多材料對于太赫茲輻射來說是透明的，這使得看清密閉容器的內(nèi)部成為可能(非常類似X光輻射)。
最后，為了使商用測試設(shè)備(如信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀和VNA)適應(yīng)毫米波元件的頻率范圍以用于測量目的，許多公司提供了測量配件(如復(fù)用器和VNA擴(kuò)展器)，例如Millitech、OML和Virginia Diodes等公司。OML打算將VNA模塊的頻率范圍一直擴(kuò)展到500GHz，而Virginia Diodes公司已經(jīng)能夠提供工作在750GHz至1050GHz頻段的VNA擴(kuò)展器。
毫米波頻率范圍一般被認(rèn)為從30GHz至300GHz，波長約1mm至10mm。由于波長很短，因此電路尺寸和結(jié)構(gòu)相應(yīng)的非常精細(xì)，加工難度通常比較大。雖然同軸電纜和連接器的生產(chǎn)已經(jīng)有了很大的改進(jìn)，同軸線可以支持毫米波范圍的頻率(一般約70GHz)，但大多數(shù)更高毫米波頻率選擇的傳輸線是波導(dǎo)管，由于其管道狀的外觀，波導(dǎo)管經(jīng)常被人稱為“管道系統(tǒng)”。波導(dǎo)管有許多種形式，包括矩形和圓形，具體尺寸還與頻率和波長有關(guān)，當(dāng)頻率提高到100GHz以上時(shí)尺寸就非常微小了。
盡管在加工(和測試)包括天線和波導(dǎo)管在內(nèi)的毫米波元件時(shí)歷來存在很大的困難，但可用帶寬對許多通信應(yīng)用來說非常有吸引力。例如，隨著最新無線通信網(wǎng)絡(luò)(包括使用長期演進(jìn)(LTE)和WiMAX技術(shù)的第4代(4G)蜂窩系統(tǒng))的服務(wù)提供商努力迎合用戶對傳送大量數(shù)據(jù)的增長性需求，他們在從一個(gè)蜂窩站點(diǎn)到另一個(gè)蜂窩站點(diǎn)的回傳連接中越來越多地面對臨“數(shù)據(jù)阻塞”。這些連接中有些還是用很長的電纜或光纖等傳統(tǒng)方法來實(shí)現(xiàn)的。
但微波射頻，特別是在免許可的60GHz頻段的微波射頻是金屬電纜或光纖的一種極具吸引力的替代品。在美國，這個(gè)免許可頻段范圍從57GHz到64GHz，日本則擴(kuò)展為59GHz至66GHz，或5GHz的重疊頻譜。這個(gè)帶寬支持高達(dá)1Gb/s的數(shù)據(jù)速率。另外，許多毫米波頻段(如60GHz)具有大氣衰減特征，因此使用這些頻段進(jìn)行通信幾乎不可能被竊聽，可以非常安全地傳輸敏感數(shù)據(jù)。
還在幾年前，使用這些頻率進(jìn)行視距范圍的短距離通信在經(jīng)濟(jì)上還是不可行的。但隨著毫米波頻率構(gòu)建模塊集成電路(IC)的發(fā)展，特別是基于硅的IC技術(shù)(如硅鍺(SiGe)或硅CMOS器件)的成熟，開發(fā)出用于60GHz通信鏈路以及用于汽車應(yīng)用的77GHz自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)、用于經(jīng)許可的E頻段點(diǎn)到點(diǎn)通信(71GHz至76GHz和81GHz至86GHz)、用于94GHz成像與數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的價(jià)格合理的毫米波元件已經(jīng)成為可能。
例如，為了使射頻設(shè)備的價(jià)格更加便宜，Vubiq公司采用IBM提供的硅鍺(SiGe)毫米波IC開發(fā)出了低成本、高數(shù)據(jù)速率、工作在60GHz的回傳射頻設(shè)備。這家公司創(chuàng)建了一種獨(dú)特的專利待批中的WR-15波導(dǎo)封裝，其中集成了射頻器件、嵌入式時(shí)鐘、中頻(IF)電子元件和支撐元件。
ELVA-1公司的毫米波事業(yè)部位于俄羅斯圣彼得堡，該公司從1993年就開始設(shè)計(jì)和制造毫米波元件、子系統(tǒng)和測試設(shè)備，這些產(chǎn)品主要用于挑選出來的大氣吸收頻段(如42GHz、70GHz和80GHz以及94GHz)，因而支持安全的通信。作為俄羅斯最大的毫米波硬件提供商，ELVA-1提供工作于71GHz至76GHz、81GHz至86GHz以及92GHz至95GHz頻段而且經(jīng)過認(rèn)證的射頻設(shè)備。這些射頻設(shè)備使用復(fù)雜的調(diào)制技術(shù)支持全雙工通信，容量高達(dá)1.25Gb/s，這些調(diào)制技術(shù)包括正交相移鍵控(QPSK)和正交幅度調(diào)制(QAM)。
回傳射頻設(shè)備供應(yīng)商Exalt Communications和Bridgewave Communications分別提供工作在42GHz和60GHz許可和免許可毫米波頻段的回傳射頻設(shè)備。Exalt公司的ExtremeAir室外射頻設(shè)備工作在42GHz許可頻段，工作距離可達(dá)24英里。Bridgewave公司的產(chǎn)品工作在60GHz和80GHz頻段，非常適合更短距離的連接。
對于那些從元件級(jí)往上設(shè)計(jì)毫米波系統(tǒng)的公司來說，有大量的可靠性元件供應(yīng)商可提供組裝射頻收發(fā)機(jī)或檢測系統(tǒng)所需的無源和有源元件，例如Aerowave、Ducommun、Endwave、Herley Defense Electronics、Microsemi、Millitech、QuinStar Technology和Spacek Labs。就拿Spacek公司來說，該公司能夠同時(shí)提供有源和無源毫米波元件，包括放大器、濾波器、混頻器和頻率高達(dá)110GHz的耿氏(Gunn)振蕩器。為了幫助設(shè)計(jì)工程師的工作，Aerowave公司的Paul Chorney提供了多種計(jì)算器(excel電子表格)，對于處于毫米波頻率的波導(dǎo)設(shè)計(jì)來說，這種計(jì)算器非常有用。同樣，Ducommun公司在其網(wǎng)站上發(fā)布了多個(gè)參考設(shè)計(jì)，包括矩形和圓形波導(dǎo)管、法蘭類型以及轉(zhuǎn)換圖表。
開發(fā)價(jià)格合理的毫米波器件解決方案的關(guān)鍵之一是設(shè)計(jì)適合這些頻率的價(jià)格合理的封裝，而Endwave公司已經(jīng)成功地將傳統(tǒng)表貼封裝應(yīng)用于毫米波應(yīng)用。這家公司是高頻單片微波集成電路(MMIC)和一體化發(fā)送/接收模塊的領(lǐng)先供應(yīng)商，對性能增強(qiáng)的高頻封裝存在內(nèi)部需求。通過對四方扁平無引線(QFN)封裝重新進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，Endwave的設(shè)計(jì)工程師能夠?qū)⒂行У纳舷揞l率從25GHz翻倍提升至50GHz。
雖然通信鏈路為毫米波技術(shù)提供了最有前途的機(jī)會(huì)，但毫米波技術(shù)也能應(yīng)用于其它重要的市場領(lǐng)域，包括反恐戰(zhàn)爭。例如，Millivision公司已經(jīng)在毫米波技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)出無源威脅檢測系統(tǒng)。這些系統(tǒng)不產(chǎn)生電磁波，但能夠使用無源毫米波傳感器檢測生物體發(fā)出的射頻信號(hào)。這些傳感器與關(guān)聯(lián)的視頻攝像機(jī)一起用于檢測某一方面的目標(biāo)。這家公司的自動(dòng)威脅檢測(ATD)工具可將檢測到的信號(hào)合并到實(shí)時(shí)視頻圖像中，因此不需要直接觀察毫米波信號(hào)本身。這些系統(tǒng)可以分辨出每一面尺寸小于2英寸的物體。
針對研究項(xiàng)目，SynView公司在太赫茲頻率(100GHz至10THz)成像基礎(chǔ)上開發(fā)出了一種三維(3D)成像系統(tǒng)。像紙張、塑料和合成品等許多材料對于太赫茲輻射來說是透明的，這使得看清密閉容器的內(nèi)部成為可能(非常類似X光輻射)。
最后，為了使商用測試設(shè)備(如信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀和VNA)適應(yīng)毫米波元件的頻率范圍以用于測量目的，許多公司提供了測量配件(如復(fù)用器和VNA擴(kuò)展器)，例如Millitech、OML和Virginia Diodes等公司。OML打算將VNA模塊的頻率范圍一直擴(kuò)展到500GHz，而Virginia Diodes公司已經(jīng)能夠提供工作在750GHz至1050GHz頻段的VNA擴(kuò)展器。
