陣列天線

近兩年，射頻半導(dǎo)體行業(yè)取得了眾多顛覆性的突破與進(jìn)步，諸如持續(xù)整合MMIC市場(chǎng)，通過氮化鎵GaN技術(shù)促進(jìn)新型基站架構(gòu)和射頻能量應(yīng)用的發(fā)展，5G也完成了獨(dú)立組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，陣列天線、太赫茲技術(shù)等也取得了眾多實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

●硅基全集成太赫茲通信系統(tǒng)研究進(jìn)展

太赫茲作為毫米波的延伸，它所提供的通信帶寬遠(yuǎn)大于毫米波，理論上可實(shí)現(xiàn)極高速的無線通信。實(shí)現(xiàn)太赫茲通信的關(guān)鍵在于是否能設(shè)計(jì)并獲得具有良好性能的太赫茲收發(fā)機(jī)系統(tǒng)。電子科技大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師王政設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上首個(gè)210GHz基于基頻的全集成CMOS收發(fā)機(jī)系統(tǒng)；此外，王教授帶領(lǐng)課題組實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上首個(gè)基于90nm SiGe工藝、工作于300GHz的全集成硅基頻率綜合器芯片，獲得了寬帶的頻率調(diào)制和出色的相位噪聲特性；還提出了重疊像素和相控陣相結(jié)合的技術(shù)，設(shè)計(jì)并基于0.18靘 SiGeBiCMOS工藝實(shí)現(xiàn)了新型基于相控陣的W波段的硅基全集成成像系統(tǒng)。本次演講，王政教授將對(duì)其硅基全集成太赫茲通信系統(tǒng)的研究成果和進(jìn)展進(jìn)行介紹。

●低空小型飛行器防御技術(shù)

四川省微波通信技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟秘書長(zhǎng)高晶將分享低空小型飛行器防御技術(shù)。根據(jù)無人機(jī)的威脅程度，將無人機(jī)等級(jí)由低到高分為四類：應(yīng)用常規(guī)技術(shù)飛行的無人機(jī)、應(yīng)用抗干擾技術(shù)的無人機(jī)、應(yīng)用自定義通信技術(shù)的無人機(jī)和應(yīng)用預(yù)設(shè)導(dǎo)航技術(shù)的無人機(jī) 。無人機(jī)管控技術(shù)有偵測(cè)發(fā)現(xiàn)技術(shù)（通過雷達(dá)、無線電、光學(xué)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的探測(cè)、定位、跟蹤等）、干擾壓制技術(shù)（通過欺騙性和壓制性等手段對(duì)無人機(jī)的自動(dòng)駕駛與控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)等實(shí)施有效干擾，使無人機(jī)不能正常飛行或進(jìn)行誘捕）、捕獲擊毀技術(shù)（利用抓捕或破壞系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)實(shí)施抓捕或者徹底摧毀的一種技術(shù)手段。包括：網(wǎng)槍、網(wǎng)炮、激光武器以及常規(guī)武器等）。

●毫米波雷達(dá)在工業(yè)與汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

汽車正在實(shí)現(xiàn)無人駕駛，工廠正在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，城市和家庭也變得越來越智能化，傳感器在人機(jī)共存、實(shí)現(xiàn)這一革命的過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。 自動(dòng)化的需求正在推動(dòng)感測(cè)需求，僅檢測(cè)到物體存在還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，傳感器需要能檢測(cè)距離、速度和位置。德州儀器（TI）半導(dǎo)體事業(yè)部中國(guó)區(qū)嵌入式產(chǎn)品系統(tǒng)與應(yīng)用總監(jiān)蔣宏介紹了TI在過去7年一直開發(fā)的高頻CMOS電路。該研發(fā)活動(dòng)開始于TI Kilby實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新，將毫米波傳感器的所有功能塊集成到單芯片上 - 從76-81 GHz RF電路到高級(jí)感測(cè)所需的處理塊。 與現(xiàn)今部署的傳感器相比，高級(jí)混合信號(hào)電路的精度高出10倍，可以將檢測(cè)到單根頭發(fā)。 超低功耗晶體管可在25%的電流傳感器上實(shí)現(xiàn)感測(cè)功能，可選擇低至150 mW。單芯片可實(shí)現(xiàn)尺寸與現(xiàn)代智能手表尺寸相似的極小尺寸傳感器。

● 5G 還是IEEE 802.11ax?

5G和IEEE 802.11ax？?jī)烧叨伎蓪?shí)現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)速率(Gb/s)，兩者都將消耗大量功率以獲得良好的覆蓋范圍，同時(shí)兩者都試圖進(jìn)入對(duì)方的領(lǐng)域。IEEE 802.11ax 關(guān)注的焦點(diǎn)是完全的室內(nèi)覆蓋--家里或辦公樓的每個(gè)角落和縫隙都可實(shí)現(xiàn)同樣的高數(shù)據(jù)速率，打造一種不容易被 5G 替代的體驗(yàn)。（為免這種體驗(yàn)聽起來令人難以置信，IEEE 802.11ax 最終成為一個(gè)非常難以實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)，且其實(shí)現(xiàn)時(shí)間又被推遲了 6 個(gè)月，預(yù)計(jì)將于 2019 年年初獲批。）然而，5G 正面臨著其獨(dú)有的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，包括延遲。盡管 5G 提高了數(shù)據(jù)速率，但其覆蓋范圍卻縮小了，且手機(jī)基站的覆蓋范圍開始“按平米計(jì)算”。預(yù)計(jì) 5G 的覆蓋范圍可能縮小不到一半，這就要求基站數(shù)量增加 4 倍多。在人口密集的市區(qū)尋找安置基站的空間成本較高，這意味著推出 5G 基礎(chǔ)設(shè)施的開銷巨大，與此同時(shí)許多運(yùn)營(yíng)商的 4G 投資尚未回本。5G 聲稱有“方法提高室內(nèi)穿透性”，而.11ax 的口號(hào)則是“5G 已經(jīng)到來，名為.11ax”。那么，誰將在競(jìng)爭(zhēng)中取勝? Qorvo無線連接事業(yè)部高級(jí)業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Jeff Lin將在此次研討會(huì)中一一分析這兩項(xiàng)技術(shù)特性，以及如何充分利用這兩項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，定義和執(zhí)行技術(shù)的戰(zhàn)略。

這種硅鍺芯片將一個(gè)數(shù)字觸發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)頻率范圍超過1 THz的5皮秒的太赫茲輻射脈沖。該芯片支持重復(fù)率高達(dá)10GHz，提供光束轉(zhuǎn)向能力，包含一個(gè)小的可以以300飛秒分辨率獨(dú)立編程的陣列天線的發(fā)射器。來自：Jeff Fitlow /Rice大學(xué)

萊斯（Rice）大學(xué)的無線研究人員借鑒了無線電發(fā)明家Guglielmo Marconi制造了第一個(gè)能夠傳輸每秒1 terabit數(shù)據(jù)的無激光無線系統(tǒng)。這樣的速度是當(dāng)今頂級(jí)的4G無線網(wǎng)絡(luò)速度的20000倍，是美國(guó)最快的家庭互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)速度的20倍。一個(gè)1 terabit/s信號(hào)可以同時(shí)觀看200000部高清電影。

Rice大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系教授兼主任Edward Knightly說，“無線電打破太比特每秒傳播速度這個(gè)瓶頸將使無線應(yīng)用和通信進(jìn)入一套全新的模式?！彼敲绹?guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）支持的為期三年的130萬美元用于開發(fā)太比特?zé)o線技術(shù)項(xiàng)目的首席研究員。

2016 Cisco公司的研究發(fā)現(xiàn)，全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量到2015年增長(zhǎng)了74%，2015年12月已經(jīng)增長(zhǎng)到每月3.7億字節(jié)（幾乎3000萬比特），所以這種傳播速度被迫切的需要。該報(bào)告發(fā)現(xiàn)，智能手機(jī)數(shù)據(jù)使用量在2015年增長(zhǎng)了43%，每月平均用戶消費(fèi)929 MB。這種增長(zhǎng)很大程度上是由于大家越來越喜歡在移動(dòng)終端上觀看視頻。Cisco公司發(fā)現(xiàn)2015年視頻流量占所有移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的55%。

這種硅鍺芯片將一個(gè)數(shù)字觸發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)頻率范圍超過1 THz的5皮秒的太赫茲輻射脈沖。該芯片支持重復(fù)率高達(dá)10GHz，提供光束轉(zhuǎn)向能力，包含一個(gè)小的，可以以300飛秒分辨率獨(dú)立編程的陣列天線的發(fā)射器。來自：Jeff Fitlow /Rice大學(xué)

這一需求水平使美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)在過去五年里對(duì)無線電頻譜研究投資超過6000萬美元。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)今天宣布資助Rice大學(xué)研究的是一個(gè)價(jià)值1100萬美元的新一輪投資。

Knightly和首席研究員Aydin Babakhani計(jì)劃用無線電脈沖技術(shù)去打破1 terabit/s這個(gè)瓶頸。這代表了無線公司幾十年來一直依賴的載波調(diào)制技術(shù)將被打破。Rice大學(xué)的電氣和計(jì)算機(jī)工程助理教授Babakhani說，脈沖技術(shù)可能是唯一一種在單一信道內(nèi)支持1terabit/s 左右數(shù)據(jù)速率的無激光無線技術(shù)，但他的團(tuán)隊(duì)必須清楚想要論證每秒能夠發(fā)送和接收1萬億高頻無線電脈沖信號(hào)仍然有很多困難。

Babakhani說，“脈沖技術(shù)并不是新的技術(shù)，Marconi上世紀(jì)90年代第一次將它展示出來。他用一個(gè)天線連接到一個(gè)大的電容器。通過充電，使得能量增加，直到電壓差電離出空氣間隙，然后所有的能量立即被傳送到天線上。這是第一個(gè)基于脈沖的通信網(wǎng)絡(luò)。他用它來表明可以傳輸很長(zhǎng)的距離，這是低頻率的。

Rice大學(xué)工程研究人員Aydin Babakhani（左）和Edward Knightly從無線電發(fā)明家Guglielmo Marconi那里獲得靈感創(chuàng)建了第一個(gè)無激光無線系統(tǒng)，系統(tǒng)每秒能傳輸1 terabit的數(shù)據(jù)。來自：Jeff Fitlow /Rice大學(xué)

“我們的脈沖系統(tǒng)受Marconi的發(fā)明的啟發(fā)，我們用一個(gè)片上天線通過一個(gè)高速雙極型晶體管，而不是像Marconi 讓能量通過空氣間隙傳輸?shù)竭@個(gè)大的電容器里。“他說。”我們將磁能量?jī)?chǔ)存在片上，然后使用一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字觸發(fā)器去釋放它。一旦釋放，它會(huì)變成一個(gè)皮秒脈沖輻射出去。沒有振蕩器：它是直接從數(shù)字到脈沖的輻射，與基于脈沖系統(tǒng)的激光不同，它只能發(fā)送甚至更短的脈沖，而我們可以非?？斓陌l(fā)送許多脈沖，這些脈沖會(huì)轉(zhuǎn)變成一個(gè)高的脈沖重復(fù)頻率，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)我們的數(shù)據(jù)傳輸目標(biāo)至關(guān)重要。

Babakhani的實(shí)驗(yàn)室在今年早些時(shí)候創(chuàng)下了一項(xiàng)世界紀(jì)錄，他們發(fā)射了最短的1.9皮秒的無線電脈沖，將開發(fā)和制造一個(gè)餐盤大小的發(fā)射機(jī)，可在高頻率范圍從100 GHz到幾個(gè)THz發(fā)送甚至更短的脈沖。發(fā)射機(jī)實(shí)際上包含約10000個(gè)單獨(dú)的天線，每一個(gè)都是一個(gè)單獨(dú)的芯片，能夠單獨(dú)發(fā)送皮秒無線電脈沖。Babakhani說，天線的數(shù)目將增加信號(hào)強(qiáng)度，該技術(shù)有可能使發(fā)射距離達(dá)到1/4英里。此外，天線陣列能夠讓我們精確地控制信號(hào)。

“調(diào)制的，基于頻率的通信技術(shù)在較低頻率的無線電波已經(jīng)做得很完美了，我們?cè)谶^去的半個(gè)世紀(jì)里一直使用著，但在頻率高于100兆赫的時(shí)候一切都變了，”Knightly說?！拔覀儼堰@些信號(hào)移動(dòng)到一個(gè)有效可控的體系里面，而不是讓它們反彈并分散在環(huán)境中。好處是我們要將所有的帶寬跟信息去直接沖擊一個(gè)設(shè)備，就像一個(gè)尖銳的激光的中心一樣，沒有人能夠攔截該信號(hào)，因?yàn)槿魏尉€下的接收器根本檢測(cè)不到它。所以，我們聚焦的點(diǎn)像是一束激光，但我們使用的是無線電。面臨的挑戰(zhàn)是需要控制光束到正確的時(shí)間在正確的地方，發(fā)射到用戶移動(dòng)的位置?！?/p>

來源：phys.org；電子科技大學(xué)太赫茲研究中心 四川太赫茲應(yīng)用研究聯(lián)合課題組 操岳衡 編譯

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