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        60GHz毫米波通信技術及發展趨勢

        60GHz毫米波通信的研發工作正日益活躍起來(見圖1)。該技術面向PC、數字家電等應用,能夠實現設備間數Gbps的超高速無線傳輸。在業內多家廠商的積極推動下,毫米波通信今后的應用將會不斷擴展。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?!边@一技術目前面臨的問題是元器件成本較高。毫米波通信現在主要用于實現家庭內的非壓縮高清視頻傳輸,如果其應用能擴展至手機及辦公設備,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)。

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        英特爾與Broadcom等公司大力推進

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        2009年5月,英特爾、微軟、諾基亞、戴爾、松下等15家公司聯手成立了WiGig(Wireless Gigabit)聯盟,欲定義面向數字家電的毫米波通信標準。WiGig聯盟計劃于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有WLAN標準802.11n的互補技術,適用于家庭、辦公室等多種場合?!?/span>

        進入主流

        業界此前就已在嘗試將毫米波用作數字家電的短距離無線接口。松下、索尼、三星等大型音/視頻設備廠商所支持的WirelessHD標準早在2008年初就已公開了1.0版的正式標準,2009年,相應芯片及家電設備也相繼亮相。另外,IEEE 802.15.3c也是針對毫米波通信而制定的標準。

        與過去在全行業范圍內開展的活動不同,毫米波通信領域內的最新發展動向是由英特爾、Broadcom及Atheros等業界領先的廠商所推動的。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,在無線通信的標準化進程中也一直被定位為非主流技術。然而,隨著所有主要的WLAN芯片廠商對該技術表現出極大的興趣,毫米波通信的地位正在發生變化,將有可能成為802.11n的后續規格。

        其中表現最為積極的是英特爾公司。該公司此前曾經熱衷于采用UWB(超寬帶)技術來實現WUSB(無線USB)標準,但由于UWB在日本、歐洲等關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部的UWB芯片商用化開發團隊,轉而進行毫米波技術的開發,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。

         與便攜設備行業相關的廠商也在關注毫米波技術。諾基亞、意法半導體等開發手機平臺的廠商已經加入了WiGig,領先的手機芯片組供應商高通公司位于以色列的研發中心也正在加緊開發毫米波通信IC。

        最大優勢是寬帶寬

        PC、WLAN以及便攜設備等行業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能夠提供較寬的帶寬。在60GHz頻段內,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設定4路帶寬為2160MHz的信道,這相當于現有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較高的數據傳輸速率。即使采用低階調制方式,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非壓縮高清視頻的傳輸,有望取代HDMI線纜。

         現有的2.4GHz與5GHz頻段已經很難實現更高的傳輸速率,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:“要實現數Gbps以上速率的唯一方法就是利用毫米波?!?/span>

        當務之急是降低成本

        雖然業內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電路的部件成本非常高。目前家電產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用,半導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器IC、封裝及天線等基本組件著手。業界對此充滿信心。SiBEAM公司標準及先進技術部總監James P. K. Gilb表示:“毫米波收發器的價格將在幾年內達到與WLAN和藍牙收發器大致相當的水平?!比毡灸逞芯繖C關的負責人也表示:“RF芯片的價格在今后 2~3年內可降至10美元?!?/span>

        降低成本
        首先可應用于手機

         降低毫米波收發電路部件成本的方法主要可分為三類:第一,通過擴展應用、實現量產來降低成本;第二,盡可能采用通用CMOS工藝來降低芯片制造成本;第三,采用創新的天線與封裝技術以降低成本。

        如果毫米波能夠應用于手機,那么就能實現大規模的量產,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%采用毫米波收發器,那也意味著可達到5000萬件的市場規模,相當于目前毫米波收發器出貨量的100倍。
        不過,要想將該技術應用于手機,必須找到殺手級的應用。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

        毫米波通信相關廠商報以較大期望的應用是KIOSK(自助服務終端)下載。KIOSK下載是指通過城市街頭或車站所設置的KIOSK終端,將視頻、音樂及其它內容以非常高的速度傳輸到支持毫米波通信的手機或智能電話上(見圖5)。使用毫米波技術,DVD中存儲的約2小時的電影內容只需幾秒種就能夠完成傳輸。如果是報刊或雜志內容,傳輸時間將更短。

        在這些應用中,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,因此無需復雜的MAC控制功能。由于反射波可被忽略,所以也無需OFDM等復雜的調制技術。再加上不用控制天線束的方向,從而可減少天線單元的數量。收發電路的設計裕量較大,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,在這種應用中,毫米波收發電路的性能規格將會受到較為嚴格的限制。比如,當屋內有人走過時,就需要調整天線束的方向,以避開障礙物。毫米波很難應用于非視距(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雜的控制,因此很多電視廠商在實現無線高清視頻傳輸功能時并未考慮毫米波技術,而是希望采用5GHz頻段的無線通信技術(見圖6)。該應用的通用解決方案是采用以色列Amimon公司的技術WHDI,此外還可采用IEEE 802.11n技術??傊?,在家庭高清視頻傳輸方面,毫米波通信面臨著較大的挑戰。

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        因此,KIOSK下載應用更受期待。針對該應用的其它競爭技術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Giga-IR。與這兩種技術相比,毫米波通信可提供高出數倍的傳輸速率。

        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,容易產生漏電流,因此,原先采用GaAs工藝設計的電路不能直接轉向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,富士通研究所開發出大幅縮短電路布線長度的技術。該技術在用于分離內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合的結構,據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的過程中開發出創新性的技術,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。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時適當改變波束的形狀以避開障礙物,從而保證傳輸的順利進行。因此,相控陣天線技術很有可能會廣泛應用于面向數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。

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        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。芯片中采用由轉換器、開關組成的基帶移相器,將2bit信號分割成4個相位(0°、 90°、180°、270°),只需控制開關就可以得到所需的信號?;鶐盘柕南辔豢刂仆ǔP枰笠幠5碾娐凡拍軐崿F,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,從而利用小規模的電路實現了這一方法(見圖8)。

        此外,還有從封裝著手降低成本的方法。京瓷公司開發的技術能在安裝了相控陣天線的陶瓷封裝里集成RF收發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。某半導體廠商的WirelessHD RF IC已經采用了該技術。京瓷公司表示將會繼續改善陶瓷封裝的制造方法,以進一步降低成本。

         


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