60GHz毫米波通信的研發(fā)工作正日益活躍起來(lái)(見(jiàn)圖1)。該技術(shù)面向PC、數(shù)字家電等應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備間數(shù)Gbps的超高速無(wú)線傳輸。在業(yè)內(nèi)多家廠商的積極推動(dòng)下，毫米波通信今后的應(yīng)用將會(huì)不斷擴(kuò)展。英特爾公司首席工程師Alexander Maltsev就表示：“幾年后，毫米波通信無(wú)疑將會(huì)變得不可或缺。”這一技術(shù)目前面臨的問(wèn)題是元器件成本較高。毫米波通信現(xiàn)在主要用于實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)的非壓縮高清視頻傳輸，如果其應(yīng)用能擴(kuò)展至手機(jī)及辦公設(shè)備，那么，隨著出貨量的增加，其成本將能夠大幅降低(見(jiàn)圖2和圖3)。
英特爾與Broadcom等公司大力推進(jìn) 
2009年5月，英特爾、微軟、諾基亞、戴爾、松下等15家公司聯(lián)手成立了WiGig(Wireless Gigabit)聯(lián)盟，欲定義面向數(shù)字家電的毫米波通信標(biāo)準(zhǔn)。WiGig聯(lián)盟計(jì)劃于2009年第4季度完成標(biāo)準(zhǔn)制定，最早2010年即可開(kāi)始進(jìn)行互操作性測(cè)試。 此外，英特爾還和Broadcom、Atheros等領(lǐng)先的WLAN芯片廠商于2009年初在IEEE 802委員會(huì)里成立了毫米波WLAN標(biāo)準(zhǔn)化工作小組TG ad(Task Group ad)。11ad工作小組組長(zhǎng)、英特爾首席工程師Eldad Perahia表示：“毫米波通信可以作為現(xiàn)有WLAN標(biāo)準(zhǔn)802.11n的互補(bǔ)技術(shù)，適用于家庭、辦公室等多種場(chǎng)合。” 進(jìn)入主流 業(yè)界此前就已在嘗試將毫米波用作數(shù)字家電的短距離無(wú)線接口。松下、索尼、三星等大型音/視頻設(shè)備廠商所支持的WirelessHD標(biāo)準(zhǔn)早在2008年初就已公開(kāi)了1.0版的正式標(biāo)準(zhǔn)，2009年，相應(yīng)芯片及家電設(shè)備也相繼亮相。另外，IEEE 802.15.3c也是針對(duì)毫米波通信而制定的標(biāo)準(zhǔn)。 與過(guò)去在全行業(yè)范圍內(nèi)開(kāi)展的活動(dòng)不同，毫米波通信領(lǐng)域內(nèi)的最新發(fā)展動(dòng)向是由英特爾、Broadcom及Atheros等業(yè)界領(lǐng)先的廠商所推動(dòng)的。與常用的 2.4GHz無(wú)線通信相比，毫米波通信的頻段相對(duì)較高且具有高度直進(jìn)性，因此被認(rèn)為是難于加以利用的無(wú)線技術(shù)，在無(wú)線通信的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程中也一直被定位為非主流技術(shù)。然而，隨著所有主要的WLAN芯片廠商對(duì)該技術(shù)表現(xiàn)出極大的興趣，毫米波通信的地位正在發(fā)生變化，將有可能成為802.11n的后續(xù)規(guī)格。 其中表現(xiàn)最為積極的是英特爾公司。該公司此前曾經(jīng)熱衷于采用UWB(超寬帶)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)WUSB(無(wú)線USB)標(biāo)準(zhǔn)，但由于UWB在日本、歐洲等關(guān)鍵市場(chǎng)受到嚴(yán)格管制難以推廣，因此被迫改變策略。英特爾解散了公司內(nèi)部的UWB芯片商用化開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，轉(zhuǎn)而進(jìn)行毫米波技術(shù)的開(kāi)發(fā)，并投入了大量的人力物力來(lái)推進(jìn)毫米波通信的標(biāo)準(zhǔn)化和商用化。 與便攜設(shè)備行業(yè)相關(guān)的廠商也在關(guān)注毫米波技術(shù)。諾基亞、意法半導(dǎo)體等開(kāi)發(fā)手機(jī)平臺(tái)的廠商已經(jīng)加入了WiGig，領(lǐng)先的手機(jī)芯片組供應(yīng)商高通公司位于以色列的研發(fā)中心也正在加緊開(kāi)發(fā)毫米波通信IC。 最大優(yōu)勢(shì)是寬帶寬 PC、WLAN以及便攜設(shè)備等行業(yè)的眾多廠商都對(duì)毫米波通信寄予厚望的最大原因是該技術(shù)能夠提供較寬的帶寬。在60GHz頻段內(nèi)，全球無(wú)需許可即可免費(fèi)使用的帶寬可達(dá)7GHz~9GHz(見(jiàn)圖4a)。WirelessHD等標(biāo)準(zhǔn)可以在這一帶寬內(nèi)設(shè)定4路帶寬為2160MHz的信道，這相當(dāng)于現(xiàn)有WLAN標(biāo)準(zhǔn)下20MHz信道帶寬的100倍(見(jiàn)圖4b)。
由于可使用如此寬的帶寬，因此很容易就能實(shí)現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。即使采用低階調(diào)制方式，也能夠確保3Gbps~5Gbps的傳輸速率。對(duì)于WirelessHD來(lái)說(shuō)，使用這樣的帶寬就可以實(shí)現(xiàn)非壓縮高清視頻的傳輸，有望取代HDMI線纜。 現(xiàn)有的2.4GHz與5GHz頻段已經(jīng)很難實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率，因此毫米波的上述特性對(duì)于WLAN芯片廠商來(lái)說(shuō)具有無(wú)窮魅力。WLAN的傳輸速率正在逐漸接近有線LAN，用戶(hù)最終會(huì)需要WLAN具有10Gbps的速率。各廠商正在采用MIMO等技術(shù)來(lái)盡力提高頻率利用效率，但仍存在極限。NEC公司元件平臺(tái)研究所主任研究員丸橋建一表示：“要實(shí)現(xiàn)數(shù)Gbps以上速率的唯一方法就是利用毫米波。” 當(dāng)務(wù)之急是降低成本 雖然業(yè)內(nèi)對(duì)毫米波通信抱有很大期望，但實(shí)際上仍有一個(gè)很大的問(wèn)題需要解決，那就是毫米波通信收發(fā)電路的部件成本非常高。目前家電產(chǎn)品中采用的毫米波通信模塊的成本約為100美元~150美元，如果要將其用于PC及更多的音/視頻設(shè)備中，那毫米波模塊的成本必須接近WLAN，即達(dá)到10美元~20美元。 為了順利擴(kuò)展毫米波通信的未來(lái)應(yīng)用，半導(dǎo)體及部件廠商都已開(kāi)始采取措施以降低成本。削減價(jià)格需要從收發(fā)器IC、封裝及天線等基本組件著手。業(yè)界對(duì)此充滿(mǎn)信心。SiBEAM公司標(biāo)準(zhǔn)及先進(jìn)技術(shù)部總監(jiān)James P. K. Gilb表示：“毫米波收發(fā)器的價(jià)格將在幾年內(nèi)達(dá)到與WLAN和藍(lán)牙收發(fā)器大致相當(dāng)?shù)乃健！比毡灸逞芯繖C(jī)關(guān)的負(fù)責(zé)人也表示：“RF芯片的價(jià)格在今后 2~3年內(nèi)可降至10美元。” 降低成本 首先可應(yīng)用于手機(jī) 降低毫米波收發(fā)電路部件成本的方法主要可分為三類(lèi)：第一，通過(guò)擴(kuò)展應(yīng)用、實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)來(lái)降低成本；第二，盡可能采用通用CMOS工藝來(lái)降低芯片制造成本；第三，采用創(chuàng)新的天線與封裝技術(shù)以降低成本。 如果毫米波能夠應(yīng)用于手機(jī)，那么就能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的量產(chǎn)，從而降低成本。全球每年手機(jī)出貨量超過(guò)10億部，即使其中只有5%采用毫米波收發(fā)器，那也意味著可達(dá)到5000萬(wàn)件的市場(chǎng)規(guī)模，相當(dāng)于目前毫米波收發(fā)器出貨量的100倍。 不過(guò)，要想將該技術(shù)應(yīng)用于手機(jī)，必須找到殺手級(jí)的應(yīng)用。因?yàn)槭謾C(jī)對(duì)于成本比較敏感，一般不會(huì)安裝沒(méi)有明確需求的接口。 可用于KIOSK下載 毫米波通信相關(guān)廠商報(bào)以較大期望的應(yīng)用是KIOSK(自助服務(wù)終端)下載。KIOSK下載是指通過(guò)城市街頭或車(chē)站所設(shè)置的KIOSK終端，將視頻、音樂(lè)及其它內(nèi)容以非常高的速度傳輸?shù)街С趾撩撞ㄍㄐ诺氖謾C(jī)或智能電話(huà)上(見(jiàn)圖5)。使用毫米波技術(shù)，DVD中存儲(chǔ)的約2小時(shí)的電影內(nèi)容只需幾秒種就能夠完成傳輸。如果是報(bào)刊或雜志內(nèi)容，傳輸時(shí)間將更短。 在這些應(yīng)用中，傳輸距離通常僅為幾十厘米，最遠(yuǎn)也不過(guò)1米，所以傳輸功率較低。功率放大器的輸出無(wú)需太高，有利于降低功耗。 毫米波通信采用P2P(Peer to Peer)對(duì)等連接，因此無(wú)需復(fù)雜的MAC控制功能。由于反射波可被忽略，所以也無(wú)需OFDM等復(fù)雜的調(diào)制技術(shù)。再加上不用控制天線束的方向，從而可減少天線單元的數(shù)量。收發(fā)電路的設(shè)計(jì)裕量較大，很容易降低成本。 高清傳輸方面競(jìng)爭(zhēng)較為激烈 到目前為止，大多數(shù)公司還是希望能在電視、DVD刻錄機(jī)等其它家電之間利用毫米波通信傳輸非壓縮的高清視頻。但是，在這種應(yīng)用中，毫米波收發(fā)電路的性能規(guī)格將會(huì)受到較為嚴(yán)格的限制。比如，當(dāng)屋內(nèi)有人走過(guò)時(shí)，就需要調(diào)整天線束的方向，以避開(kāi)障礙物。毫米波很難應(yīng)用于非視距(NLOS，non-line- of-sight)通信，因此需要具有能夠利用反射波的功能，或具有被稱(chēng)為“波束控制(beam steering)”的功能。 由于毫米波通信需要進(jìn)行較為復(fù)雜的控制，因此很多電視廠商在實(shí)現(xiàn)無(wú)線高清視頻傳輸功能時(shí)并未考慮毫米波技術(shù)，而是希望采用5GHz頻段的無(wú)線通信技術(shù)(見(jiàn)圖6)。該應(yīng)用的通用解決方案是采用以色列Amimon公司的技術(shù)WHDI，此外還可采用IEEE 802.11n技術(shù)。總之，在家庭高清視頻傳輸方面，毫米波通信面臨著較大的挑戰(zhàn)。
因此，KIOSK下載應(yīng)用更受期待。針對(duì)該應(yīng)用的其它競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)有索尼等公司支持的近距離無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)TransferJet和KDDI、松下等公司支持的高速紅外通信技術(shù)Giga-IR。與這兩種技術(shù)相比，毫米波通信可提供高出數(shù)倍的傳輸速率。 縮短布線長(zhǎng)度 降低成本的另一個(gè)方法是采用CMOS工藝制造收發(fā)IC。與通常采用的GaAs工藝或SiGe工藝相比，CMOS工藝更容易降低成本。 但是，采用CMOS工藝時(shí)需要解決傳播損耗較大的問(wèn)題。CMOS工藝中所使用的硅襯底的電阻率在高頻時(shí)會(huì)下降，容易產(chǎn)生漏電流，因此，原先采用GaAs工藝設(shè)計(jì)的電路不能直接轉(zhuǎn)向CMOS工藝，而需要進(jìn)一步縮短硅襯底上的布線長(zhǎng)度。 為了降低布線時(shí)的損耗，富士通研究所開(kāi)發(fā)出大幅縮短電路布線長(zhǎng)度的技術(shù)。該技術(shù)在用于分離內(nèi)部振蕩電路信號(hào)的分配電路中使用了磁電路。此外，針對(duì)以往 GaAs襯底中對(duì)布線長(zhǎng)度有所注重并進(jìn)行了阻抗匹配的位置，NEC使用了微帶線與螺旋電感相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，據(jù)介紹可大幅降低布線損耗(見(jiàn)圖7)。 控制基帶相位 NEC公司在利用CMOS IC的過(guò)程中開(kāi)發(fā)出創(chuàng)新性的技術(shù)，通過(guò)對(duì)相位控制電路進(jìn)行特殊處理，從而在降低成本的同時(shí)降低了毫米波通信CMOS IC中RF電路的功耗。 60GHz頻段通信的波長(zhǎng)僅為5mm左右，所以可以將多個(gè)天線單元集成到單個(gè)封裝內(nèi)。毫米波通信的缺點(diǎn)是難以順利接收，而相控陣天線可以在障礙物出現(xiàn)時(shí)適當(dāng)改變波束的形狀以避開(kāi)障礙物，從而保證傳輸?shù)捻樌M(jìn)行。因此，相控陣天線技術(shù)很有可能會(huì)廣泛應(yīng)用于面向數(shù)字家電的毫米波通信中。 相控陣天線通過(guò)改變各天線單元輸入電壓的相位來(lái)控制天線束的方向。一般來(lái)說(shuō)，進(jìn)行相位控制時(shí)需要在輸入前預(yù)先控制RF電路輸入信號(hào)的相位，但由于CMOS 電路硅襯底的傳播損耗較大(6dB~7dB)，所以需要使用功率放大器來(lái)補(bǔ)償損耗。當(dāng)使用8個(gè)天線單元時(shí)，就需要8套功率放大器，使得功耗大為增加。
為了解決功耗問(wèn)題，NEC采用了對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行相位控制的方法。芯片中采用由轉(zhuǎn)換器、開(kāi)關(guān)組成的基帶移相器，將2bit信號(hào)分割成4個(gè)相位(0°、 90°、180°、270°)，只需控制開(kāi)關(guān)就可以得到所需的信號(hào)。基帶信號(hào)的相位控制通常需要大規(guī)模的電路才能實(shí)現(xiàn)，因此這種方法不太常見(jiàn)。但NEC公司的丸橋建一表示，NEC對(duì)電路進(jìn)行了特殊的處理，從而利用小規(guī)模的電路實(shí)現(xiàn)了這一方法(見(jiàn)圖8)。 此外，還有從封裝著手降低成本的方法。
京瓷公司開(kāi)發(fā)的技術(shù)能在安裝了相控陣天線的陶瓷封裝里集成RF收發(fā)IC，這時(shí)天線單元與RF IC之間的布線較短，所以信號(hào)損耗較小，且安裝面積也較小。某半導(dǎo)體廠商的WirelessHD RF IC已經(jīng)采用了該技術(shù)。京瓷公司表示將會(huì)繼續(xù)改善陶瓷封裝的制造方法，以進(jìn)一步降低成本。 作者：《日經(jīng)電子》記者 蓬田宏樹(shù) 來(lái)源:電子設(shè)計(jì)應(yīng)用2009年第11期 |
