無線通信技術(shù)的發(fā)展史與半導(dǎo)體材料工藝新挑戰(zhàn)

無線技術(shù)在如今的通信系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，逐漸成為智慧家居、智能機器人、自動駕駛與新型醫(yī)療設(shè)備等新興技術(shù)的核心。在近日舉辦的EDICON 2020上，ADI不僅帶去了數(shù)款最新無線通信系統(tǒng)設(shè)計Demo，并且由ADI射頻應(yīng)用經(jīng)理Mercy Chen用精彩的演講為與會觀眾講述了不同帶寬通信應(yīng)用場景與無線電技術(shù)的深層次聯(lián)系。

無線通信技術(shù)的發(fā)展史與半導(dǎo)體材料工藝新挑戰(zhàn)

據(jù)Mercy介紹，無線通信從1G到5G，走過的歷史卻并不漫長。世界上第一代無線通信系統(tǒng)誕生于上世紀八十年代，是以“大哥大”手機為典型的以模擬技術(shù)為基礎(chǔ)的蜂窩無線電話系統(tǒng)，而到第二代的GSM，帶寬增加至200KHz，第三代的WCDMA約為5MHz，第四代的LTE則達到了20MHz。目前的第五代移動通信技術(shù)已經(jīng)有了Sub-6GHz的信道，帶寬為100M，之后的微波5G甚至可能會達到1GHz左右。不難發(fā)現(xiàn)，通信產(chǎn)品一代一代地更替，帶寬也越來越寬，對無線通信的數(shù)據(jù)速率要求越來越高，所有的無線產(chǎn)品帶寬支持能力也是需要不斷增加的。

時至今日的生活中，無線通信應(yīng)用已經(jīng)無處不在了，其標準協(xié)議也是百花齊放，例如有蜂窩通信的NB-IoT標準、Bluetooth標準、 ZigBee標準以及WIFI標準等等各種各樣的通信協(xié)議。根據(jù)應(yīng)用場景所需帶寬的不同，可以把無線通信應(yīng)用分為窄帶應(yīng)用、寬帶應(yīng)用以及超寬帶（UBW）應(yīng)用。

Mercy進一步指出，隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，從低頻到超高頻的電路應(yīng)用越來越廣，要求不同的器件特性在半導(dǎo)體材料工藝的選擇上也會面臨不同的挑戰(zhàn)。例如硅是當前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)應(yīng)用最為成熟的材料，傳統(tǒng)上以硅來制作的晶體管多采用BJT 或CMOS，由于硅材料沒有半絕緣基板，再加上組件本身的增益較低，若要應(yīng)用在高頻段操作的無線通信IC 制造，則需進一步提升其高頻電性，除了要改善材料結(jié)構(gòu)來提高組件性能，還必須藉助溝槽隔離等制程以提高電路間的隔離度與Q值，如此一來，其制程將會更為復(fù)雜，且不良率與成本也將大幅提高。因此，目前中低頻射頻模塊器件，例如混頻器，調(diào)制器，解調(diào)器等多以具有低噪聲、電子移動速度快、且集成度高的Si BiCMOS 制程為主。而在SOI襯底的硅表面下方嵌入了二氧化硅層，相對于體硅器件，這種結(jié)構(gòu)可以極大的降低漏電流和功耗，具有明顯的性能優(yōu)勢，則非常適用于射頻模塊控制器應(yīng)用。

GaAs因電子遷移率比硅高很多，因此采用特殊的工藝，早期為MESFET 金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，后演變?yōu)镠EMT，pHEMT，目前則為HBT。HBT是無需負電源的砷化鎵組件，其功率密度、電流推動能力與線性度均超過FET，另外它可以單電源操作，因而簡化電路設(shè)計及次系統(tǒng)實現(xiàn)的難度，十分適合于射頻及中頻收發(fā)模塊的研制以及高功率、高效率、高線性度的微波放大器等電路。

不難看出，要解決各類無線通信應(yīng)用的體積、功耗和成本挑戰(zhàn)，必須從硬件和系統(tǒng)設(shè)計入手。Mercy表示，對于ADI來說，擁有全頻譜解決方案的能力，可以做到0GHz到110GHz頻譜范圍內(nèi)的支持，在無線設(shè)計領(lǐng)域具有絕對的話語權(quán)。完整的產(chǎn)品系列也能支撐客戶相關(guān)的產(chǎn)品開發(fā)，并針對不同帶寬的應(yīng)用場景，ADI幾款最新產(chǎn)品也體現(xiàn)了系統(tǒng)化的微波射頻研發(fā)經(jīng)驗是如何融入了其獨特的創(chuàng)新設(shè)計中。

完美布局，ADI無線通信技術(shù)解決方案全方位覆蓋

高動態(tài)范圍RF收發(fā)器完美匹配窄帶應(yīng)用

窄帶應(yīng)用需要使用多個放大器來覆蓋不同的頻段，意味著外部無源器件會更多，因為需要從不同的電源偏置每個放大器。使用多個窄帶放大器意味著需要更多偏置電路和低壓差調(diào)節(jié)器，這就會提高系統(tǒng)成本、器件數(shù)量和復(fù)雜度，而更高的復(fù)雜度意味著可靠性會降低，因而設(shè)備壽命可能較短。

ADRV9002是業(yè)界首款高性能、高度集成的收發(fā)器IC，工作頻率為30 MHz至6 GHz，能夠處理12 kHz至40 MHz的窄帶或?qū)拵?a target="_blank">信號。該接收器設(shè)計用于苛刻的高動態(tài)范圍 （150dBc/Hz） 和線性應(yīng)用，存在大型阻塞器時，該器件可以解譯和吸收有用的RF信號。發(fā)送器提供最高線性度和輸出功率，同時具有最低的本底噪聲，以實現(xiàn)最佳發(fā)送器信號純度和范圍?！癆DRV9002獨特的系統(tǒng)特性以及功耗與性能之間的權(quán)衡配置，使其適合功耗敏感的市場領(lǐng)域和應(yīng)用?！盡ercy表示。

用于基站應(yīng)用的小尺寸、低功耗寬帶RF收發(fā)器

ADI寬帶放大器最早是針對無線通訊基礎(chǔ)設(shè)施而設(shè)計，比如宏基站、小站，之后又衍生到了中繼站、IoT網(wǎng)關(guān)，包括小站、微站等。近些年，ADI的寬帶收發(fā)器系列不斷推陳出新，基本上一年一更迭，陸續(xù)推出了AD9371/9375，ADRV9008/9，ADRV9026，每一代都性能更強，帶寬更寬。

ADRV9026是ADI第四代寬帶RF收發(fā)器，是一款高度集成的緊湊型低功耗4T4R解決方案，尺寸小巧，并且支持TDD和FDD應(yīng)用，具有16Gbps JESD204B/JESD204C數(shù)字接口，適用于蜂窩基站收發(fā)信臺（BTS）遠程無線電裝置（RRU），符合大規(guī)模多進多出（m-MIMO）、小型蜂窩基站和大型3G/4G/5G系統(tǒng)等蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的高性能要求。其支持最高200MHz接收帶寬，覆蓋650MHz至6GHz的頻率，最大觀測接收器/發(fā)射器頻率合成帶寬為450MHz，用于所有本振和基帶時鐘的多芯片相位同步?！芭c前幾代產(chǎn)品相比，ADRV9026收發(fā)器的功耗降低了50%，能夠提高無線電密度以支持更多的天線，并以更低的成本和系統(tǒng)功耗支持開放式無線接入網(wǎng)絡(luò)（ORAN）的小基站設(shè)計。收發(fā)器采用3G/4G/5G系統(tǒng)通用的平臺設(shè)計，有助于降低眾多應(yīng)用的成本和復(fù)雜性，其靈活的設(shè)計還支持模塊化架構(gòu)以實現(xiàn)可擴展的無線電解決方案?！盡ercy在演講中強調(diào)。

通話容量和數(shù)據(jù)吞吐量的再一次升級

超寬帶無線通信信號占用極寬的頻帶，可與其他通信系統(tǒng)共享頻譜資源，功率譜也可以做到極低，從而不去干擾其他通信系統(tǒng)，它是短距離無線通信領(lǐng)域研究的熱點，例如智能交通、消防、防務(wù)通信等，具有巨大研究價值和市場前景。ADI推出的混合信號前端 （MxFE?） RF 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器平臺可滿足 5G 測試和測量設(shè)備、寬帶有線視頻流、多天線相控陣雷達系統(tǒng)、低地球軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中其他寬帶應(yīng)用的需求。該平臺結(jié)合了高性能模擬和數(shù)字信號處理功能，允許制造商在與單頻段無線電相同的占板面積上安裝多頻段無線電，使當今4G LTE基站的通話容量提高3倍。

例如AD9081和AD9082 MxFE器件分別集成了8個和6個RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，采用28 nm CMOS工藝技術(shù)制造，均實現(xiàn)了業(yè)界最寬的瞬時信號帶寬，由于減少了頻率轉(zhuǎn)換級的數(shù)量和放寬濾波器要求，從而簡化硬件設(shè)計。與其他器件相比，這些更高集成高度的器件通過減少芯片數(shù)量來解決無線設(shè)備設(shè)計人員面臨的空間限制問題，使得印刷電路板 （PCB） 面積縮小60%。新型MxFE 平臺還支持無線運營商為其蜂窩塔增加更多天線，以滿足新興mmWave 5G的更高無線電密度和數(shù)據(jù)速率要求。

以射頻微波技術(shù)，攜手客戶超越一切可能

為實現(xiàn)各種頻率帶寬下無線通信低功耗、小尺寸和高可靠性的傳輸，特別是全頻譜接入、高頻段乃至毫米波傳輸、高頻譜效率3大基礎(chǔ)性能要求都對器件原材料、制造工藝與性能指標有了更高的要求。ADI這樣少數(shù)方案提供商所擁有‘全頻譜’能力，在整個射頻和微波、毫米波上的布局能夠滿足不同場景的應(yīng)用。此外，長期持久的研發(fā)經(jīng)驗也將使ADI攜手合作伙伴，一起在未來在更多領(lǐng)域應(yīng)用中探索出新的機遇。

責(zé)任編輯：haq