G波段的MMIC进展如何

对更多频谱和更多带宽的不懈需求，以及不同波长电磁辐射的独特应用特性，正在导致设计工作在更高频率下的持续努力。虽然 1 GHz 至 10 GHz 仅在几十年前被认为是一个由笨重、几乎神奇的有源和无源组件定义的狂野前沿，而面向大众市场产品的商用设备很少，但我们现在通常处于低个位数的 GHz 空间智能手机、Wi-Fi 和物联网设备。5G 的进步正在推动该区域进入数十 GHz。

当今的 5G 蜂窝网络运行在 6 GHz 及以下，未来的 5G 通信运行在 24 GHz 至 53 GHz 左右的毫米波频率上。被称为 6G 的下一代将推动频率更高，以获得更宽的带宽和信道容量。

但为什么要停在那里？国防高级研究计划局 (DARPA) 最近发布了有关 G 波段阵列电子学 (ELGAR)项目的公告。该机构希望业界开发能够在 110 GHz 和 300 GHz 之间的亚太赫兹 G 波段频率范围内运行的单片微波集成电路 (MMIC) 和前端接收器阵列，用于射电天文学、远程安全传感和电信（图1）。

图1频谱图显示了多个数量级的电磁能量；太赫兹波在标记为微波的更广泛区域中跨越 100 GHz 至 10 THz 区域。资料来源：罗格斯大学

DARPA 为该频段的 MMIC 设备制定了一些目标。这包括 30% 的功率放大器效率、至少 34 W/cm 2的发射阵列面功率密度和 220 GHz 时 24% 的发射阵列效率。乍一看，110 GHz 至 300 GHz 的上部毫米波 G 波段是一个有吸引力的、未被充分利用的电磁频谱跨度，尤其是在大气吸收率较低的 200 GHz 以上。

由于历史情况和不同的应用管辖区相结合，G-band 名称也被用于 4 GHz 至 6 GHz，这与现在定义为 G-band 的 100 GHz 至 300 GHz 频谱有很大不同。由于不同的应用（雷达、射电天文和军事）传统上对相同的频率/波长波段使用不同的字母名称，例如 X、S、K，因此存在一些混淆。 有关这种情况的一些见解，请参阅 TeraSense 关于无线电频段的说明。

近年来，业界越来越多地使用题为“IEEE 雷达频段的标准字母名称”的 IEEE标准 521-2002来进行与国际电信联盟 (ITU) 定义一致的名称。然而，许多较旧的名称仍在广泛使用，这可能会造成混淆。

我不知道 DARPA 发起的努力会产生什么结果，但值得关注事态发展。虽然 G 波段已经在有限但高度专业化的用途中使用，并且确实有非 MMIC 组件，但它是设计真正产品的一个非常困难的地方。例如，RF 隔离器是 RF 世界中的标准组件，用于分离在与发送和接收信号相同的路径上沿两个方向传播的 RF 能量。

以自 1960 年代开始使用的法拉第旋转隔离器为例。它广泛用于高频区域，Micro Harmonics Corp. 题为“专为低插入损耗设计的隔离器”的简短应用说明让您对开发适用于该范围的有用组件所面临的挑战有所了解。一些隔离器包括用于增强热性能的金刚石分层散热器。

G波段的MMIC进展

随着进入 G 波段的发展使 MMIC 相关的进展同时使用各种材料、工艺技术、支持组件以及测试和测量仪器，我怀疑下一次推动将是进入太赫兹波段。300 GHz 到 3,000 GHz 的“奇怪”区域——有人说从 100 GHz 开始，有人说在 1,000 GHz 结束——介于常规射频和光学和红外区域之间，正如题为“真相”的 IEEE Spectrum 文章中所讨论的那样关于太赫兹”。虽然射频和光学都受麦克斯韦方程控制，但它们表现出非常不同的特性并且需要非常不同的组件。

现在正在进行一项大学研究工作，利用这两个范围之间的重叠来开发与分立激光器、LED 和光电晶体管相距甚远的混合光子器件。例如，日本大阪大学和澳大利亚阿德莱德大学的一个联合团队开发了一种四通道多路复用器，该多路复用器支持以 350 THz 为中心的 48 Gbps 数据流（图 2）。他们使用硅作为基础材料以及标准制造技术。

图 2这是一个基于硅的四通道多路复用器，支持 48-Gbps 数据流，调制中心频率为 350 THz。资料来源：阿德莱德大学

另一项发展来自普林斯顿大学的一个团队。他们设计了一种可编程的太赫兹超表面，具有完全集成的硅芯片瓦片，用于动态波束形成（图 3）。

图 3这种可编程的太赫兹超表面使用完全集成的硅片瓦片进行动态波束成形。资料来源：普林斯顿大学

如果历史是利用技术进步的指南，我怀疑 MMIC 在 G 波段的进步将随后导致在太赫兹波段取得更多进步和相对标准的组件和技术。一旦开始并且太赫兹和光学范围之间的重叠区域变得模糊，可能会出现一些令人印象深刻的发展。也许，期待已久的光学处理器用光子而不是电子进行神经网络计算将成为现实。