60GHz毫米波通信的研發(fā)工作正日益活躍起來(見圖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的超高速無線傳輸。在業(yè)內(nèi)多家廠商的積極推動下，毫米波通信今后的應(yīng)用將會不斷擴展。英特爾公司首席工程師Alexander Maltsev就表示：“幾年后，毫米波通信無疑將會變得不可或缺。”這一技術(shù)目前面臨的問題是元器件成本較高。毫米波通信現(xiàn)在主要用于實現(xiàn)家庭內(nèi)的非壓縮高清視頻傳輸，如果其應(yīng)用能擴展至手機及辦公設(shè)備，那么，隨著出貨量的增加，其成本將能夠大幅降低(見圖2和圖3)。
英特爾與Broadcom等公司大力推進
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準。WiGig聯(lián)盟計劃于2009年第4季度完成標準制定，最早2010年即可開始進行互操作性測試。 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委員會里成立了毫米波WLAN標準化工作小組TG ad(Task Group ad)。11ad工作小組組長、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標準802.11n的互補技術(shù)，適用于家庭、辦公室等多種場合。” 進入主流 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標準早在2008年初就已公開了1.0版的正式標準，2009年，相應(yīng)芯片及家電設(shè)備也相繼亮相。另外，IEEE 802.15.3c也是針對毫米波通信而制定的標準。 與過去在全行業(yè)范圍內(nèi)開展的活動不同，毫米波通信領(lǐng)域內(nèi)的最新發(fā)展動向是由英特爾、Broadcom及Atheros等業(yè)界領(lǐng)先的廠商所推動的。與常用的 2.4GHz無線通信相比，毫米波通信的頻段相對較高且具有高度直進性，因此被認為是難于加以利用的無線技術(shù)，在無線通信的標準化進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)來實現(xiàn)WUSB(無線USB)標準，但由于UWB在日本、歐洲等關(guān)鍵市場受到嚴格管制難以推廣，因此被迫改變策略。英特爾解散了公司內(nèi)部的UWB芯片商用化開發(fā)團隊，轉(zhuǎn)而進行毫米波技術(shù)的開發(fā)，并投入了大量的人力物力來推進毫米波通信的標準化和商用化。 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)體等開發(fā)手機平臺的廠商已經(jīng)加入了WiGig，領(lǐng)先的手機芯片組供應(yīng)商高通公司位于以色列的研發(fā)中心也正在加緊開發(fā)毫米波通信IC。 最大優(yōu)勢是寬帶寬 PC、WLAN以及便攜設(shè)備等行業(yè)的眾多廠商都對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)，全球無需許可即可免費使用的帶寬可達7GHz~9GHz(見圖4a)。WirelessHD等標準可以在這一帶寬內(nèi)設(shè)定4路帶寬為2160MHz的信道，這相當(dāng)于現(xiàn)有WLAN標準下20MHz信道帶寬的100倍(見圖4b)。
由于可使用如此寬的帶寬，因此很容易就能實現(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。對于WirelessHD來說，使用這樣的帶寬就可以實現(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)很難實現(xiàn)更高的傳輸速率，因此毫米波的上述特性對于WLAN芯片廠商來說具有無窮魅力。WLAN的傳輸速率正在逐漸接近有線LAN，用戶最終會需要WLAN具有10Gbps的速率。各廠商正在采用MIMO等技術(shù)來盡力提高頻率利用效率，但仍存在極限。NEC公司元件平臺研究所主任研究員丸橋建一表示：“要實現(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)對毫米波通信抱有很大期望，但實際上仍有一個很大的問題需要解決，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，即達到10美元~20美元。 為了順利擴展毫米波通信的未來應(yīng)用，半導(dǎo)體及部件廠商都已開始采取措施以降低成本。削減價格需要從收發(fā)器IC、封裝及天線等基本組件著手。業(yè)界對此充滿信心。SiBEAM公司標準及先進技術(shù)部總監(jiān)James P. K. Gilb表示：“毫米波收發(fā)器的價格將在幾年內(nèi)達到與WLAN和藍牙收發(fā)器大致相當(dāng)?shù)乃健！比毡灸逞芯繖C關(guān)的負責(zé)人也表示：“RF芯片的價格在今后 2~3年內(nèi)可降至10美元。” 降低成本 首先可應(yīng)用于手機 降低毫米波收發(fā)電路部件成本的方法主要可分為三類：第一，通過擴展應(yīng)用、實現(xiàn)量產(chǎn)來降低成本；第二，盡可能采用通用CMOS工藝來降低芯片制造成本；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，那么就能實現(xiàn)大規(guī)模的量產(chǎn)，從而降低成本。全球每年手機出貨量超過10億部，即使其中只有5%采用毫米波收發(fā)器，那也意味著可達到5000萬件的市場規(guī)模，相當(dāng)于目前毫米波收發(fā)器出貨量的100倍。 不過，要想將該技術(shù)應(yīng)用于手機，必須找到殺手級的應(yīng)用。因為手機對于成本比較敏感，一般不會安裝沒有明確需求的接口。 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下載是指通過城市街頭或車站所設(shè)置的KIOSK終端，將視頻、音樂及其它內(nèi)容以非常高的速度傳輸?shù)街С趾撩撞ㄍㄐ诺氖謾C或智能電話上(見圖5)。使用毫米波技術(shù)，DVD中存儲的約2小時的電影內(nèi)容只需幾秒種就能夠完成傳輸。如果是報刊或雜志內(nèi)容，傳輸時間將更短。 在這些應(yīng)用中，傳輸距離通常僅為幾十厘米，最遠也不過1米，所以傳輸功率較低。功率放大器的輸出無需太高，有利于降低功耗。 毫米波通信采用P2P(Peer to Peer)對等連接，因此無需復(fù)雜的MAC控制功能。由于反射波可被忽略，所以也無需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)計裕量較大，很容易降低成本。 高清傳輸方面競爭較為激烈 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)格將會受到較為嚴格的限制。比如，當(dāng)屋內(nèi)有人走過時，就需要調(diào)整天線束的方向，以避開障礙物。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，或具有被稱為“波束控制(beam steering)”的功能。 由于毫米波通信需要進行較為復(fù)雜的控制，因此很多電視廠商在實現(xiàn)無線高清視頻傳輸功能時并未考慮毫米波技術(shù)，而是希望采用5GHz頻段的無線通信技術(shù)(見圖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。針對該應(yīng)用的其它競爭技術(shù)有索尼等公司支持的近距離無線通信標準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。 縮短布線長度 降低成本的另一個方法是采用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工藝時需要解決傳播損耗較大的問題。CMOS工藝中所使用的硅襯底的電阻率在高頻時會下降，容易產(chǎn)生漏電流，因此，原先采用GaAs工藝設(shè)計的電路不能直接轉(zhuǎn)向CMOS工藝，而需要進一步縮短硅襯底上的布線長度。 為了降低布線時的損耗，富士通研究所開發(fā)出大幅縮短電路布線長度的技術(shù)。該技術(shù)在用于分離內(nèi)部振蕩電路信號的分配電路中使用了磁電路。此外，針對以往 GaAs襯底中對布線長度有所注重并進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(見圖7)。 控制基帶相位 NEC公司在利用CMOS IC的過程中開發(fā)出創(chuàng)新性的技術(shù)，通過對相位控制電路進行特殊處理，從而在降低成本的同時降低了毫米波通信CMOS IC中RF電路的功耗。 60GHz頻段通信的波長僅為5mm左右，所以可以將多個天線單元集成到單個封裝內(nèi)。毫米波通信的缺點是難以順利接收，而相控陣天線可以在障礙物出現(xiàn)時適當(dāng)改變波束的形狀以避開障礙物，從而保證傳輸?shù)捻樌M行。因此，相控陣天線技術(shù)很有可能會廣泛應(yīng)用于面向數(shù)字家電的毫米波通信中。 相控陣天線通過改變各天線單元輸入電壓的相位來控制天線束的方向。一般來說，進行相位控制時需要在輸入前預(yù)先控制RF電路輸入信號的相位，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補償損耗。當(dāng)使用8個天線單元時，就需要8套功率放大器，使得功耗大為增加。
為了解決功耗問題，NEC采用了對基帶信號進行相位控制的方法。芯片中采用由轉(zhuǎn)換器、開關(guān)組成的基帶移相器，將2bit信號分割成4個相位(0°、 90°、180°、270°)，只需控制開關(guān)就可以得到所需的信號。基帶信號的相位控制通常需要大規(guī)模的電路才能實現(xiàn)，因此這種方法不太常見。但NEC公司的丸橋建一表示，NEC對電路進行了特殊的處理，從而利用小規(guī)模的電路實現(xiàn)了這一方法(見圖8)。 此外，還有從封裝著手降低成本的方法。
京瓷公司開發(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，這時天線單元與RF IC之間的布線較短，所以信號損耗較小，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)。京瓷公司表示將會繼續(xù)改善陶瓷封裝的制造方法，以進一步降低成本。 作者：《日經(jīng)電子》記者 蓬田宏樹 來源:電子設(shè)計應(yīng)用2009年第11期 |
