对高速数据传输的迫切需求加上纳米技术节点的发展,正推动通信标准(如 5G)向毫米波频段发展。毫米波频段的使用还涉及汽车雷达、成像或医疗应用。在更高的频段,用户可以受益于更宽的带宽,从而可以获得所需的数据速率或雷达分辨率的提升。另一方面,消费类应用需要低成本的解决方案,例如 CMOS 或 BiCMOS 技术提供的解决方案。然而,虽然 BiCMOS 技术中晶体管的工作频率 (𝑓)/𝑓 *+,) 高于 400 GHz 以满足毫米波应用 [1],但这些技术中无源可调元件的种类仅限于少数几种变容二极管或开关电感器。可调元件可用于执行必要的射频功能,例如 VCO 调谐 [2]、相移控制,尤其是构建波束控制系统以补偿自由空间中路径损耗的增加 [3],或用于校准目的 [4] 等。可调设备的性能可通过调谐范围和品质因数来量化
图 1.1.2 显示了 6G 的潜在频谱带和可能影响不同频谱相关方面的关键技术。图 1.1.2 中显示的频段是 6G 的潜在候选频段,因为目前没有指定用于 6G 的频段。7 至 24 GHz 范围可以利用大规模多输入多输出 (MIMO) 技术来确保良好的覆盖范围,相对于 3 至 5 GHz 之间的传统频率提高容量,并为上层毫米波和太赫兹 (THz) 频率范围提供控制平面。另一方面,毫米波和太赫兹频谱可用于提供高数据速率并实现精确的定位和感知。智能中继器和可重构智能表面 (RIS) 等技术可以在改善上层毫米波和太赫兹频率范围的覆盖范围方面发挥重要作用。这些频率范围还可实现高分辨率和精确的传感/定位应用。无蜂窝 MIMO 使网络经济有利于在频谱的 mmWave 部分进行部署。
通信可以广泛定义为信息从一个点转移到另一点。当将信息在任何距离内传达时,通常都需要通信系统。在通信系统中,信息传输经常是通过将信息叠加到电磁波上的,该信息充当信息信号的载体。然后将此调制载体传输到接收到的所需目的地,并通过解调获得原始信息信号。使用以无线电频率以及微波和毫米波频率运行的电磁载波波和毫米波频率开发了该过程的复杂技术。但是,也可以使用从频率的光范围选择的电磁载体来实现“通信”。
电子与电气工程实验室 电子与电气工程实验室 (EEEL) 的研究项目涵盖了电气、电子、电磁和光电材料、组件、仪器和系统的几乎所有关键学科,并侧重于计量学。实验室在马里兰州盖瑟斯堡和科罗拉多州博尔德设有实验室;其年度预算约为 8000 万美元。EEEL 的项目涵盖以下领域的测量和相关研究:(1) 基本电气单元;(2) 超导电子学和约瑟夫森结器件、量子霍尔效应器件和单电子隧穿现象的应用;(3) 高临界温度和低临界温度超导体、器件和系统;(4) 磁性材料、块体和薄膜,包括记录介质和磁头;(5) 硅和复合半导体材料、工艺和器件,包括功率器件;(6) 用于纳米级制造控制的测试结构; (7) 光电子学,包括光波通信和传感技术、激光器和光学记录;(8) 微波和毫米波材料、仪器、系统和天线,包括单片微波/毫米波集成电路;(9) 电磁兼容性和干扰,包括辐射和传导,包括电能质量;(10) 射频和微波/毫米波噪声;(11) 电介质材料
1987 年,无线电研究实验室(RRL,现 NICT)决定建造鹿岛 34 m 天线作为西太平洋干涉仪的主站。当时,日本国立天文台(NAOJ)的野边山射电天文台参与了使用野边山 45 m 的全球毫米波 VLBI,并刚刚开始 VLBI 观测。一套 Mark-3 记录器从野边山运到臼田站,使用臼田 64 m 进行了首次与 TDRS 卫星的空间 VLBI 实验,并成功进行了条纹检测。然而,在日本,独立的天文 VLBI 观测研究尚未实现。听到鹿岛34米天线建设的消息后,森本教授(图2)注意到鹿岛34米天线的面精度为170μ,对毫米波VLBI观测非常有效。森本教授向RRL提议与NAOJ合作进行毫米波VLBI研究,于是联合研究开始了。NAOJ决定利用RRL拥有的43GHz冷却接收机杜瓦瓶,制造出世界上第一台43GHz冷却HEMT接收机(图3),联合研究于1989年开始。KNIFE实验与34米天线的启动和测试同时开始。虽然
这种新型 ICL 激光器能够高效工作,覆盖从 2 μm 以下到 11 μm 以上的大范围中红外波长 [2-8] 。此外,近年来,这种激光器已经在商业上可用 [7],用于化学传感、成像和工业过程控制等实际应用。尽管如此,它们仍然价格昂贵,供应商很少,交货时间相对较长。部分原因是 ICL 的 Sb 基 III-V 材料和相关器件制造技术不太成熟,而且与更成熟的 InP 和 GaAs 基材料体系相比,Sb 基材料的生长资源有限。因此,与其他半导体激光器(如带内量子级联激光器(QCL)[9] )相比,在 ICL 开发上投入的努力非常有限。ICL 的许多方面尚未探索或仍处于早期阶段。
实现第五代新无线电 5G (NR) 或简称 5G 技术的驱动力包括传输大数据速率以及对更可靠连接、更快响应时间(低延迟)和更好覆盖范围的需求。在毫米波应用中,信号丢失变得至关重要,设计挑战也变得更加复杂。除了新兴的 5G 智能手机外,其他以极高频率运行且需要小尺寸的应用还包括可穿戴设备、小型基站、安全摄像头、自动驾驶汽车中的雷达装置以及众多物联网 (IoT) 设备。根据 Gartner, Inc. 的市场研究,到 2023 年,每年将生产超过 10 亿台毫米波装置。借助 AiP 技术,天线不再是无线设备中的单独组件,而是与射频 (RF) 开关、滤波器和放大器集成在 SiP 中。根据咨询公司 Yole Développement 的数据,预计到 2023 年,整个射频前端 (RFFE) 模块 SiP 市场规模将达到 53 亿美元,复合年增长率 (CAGR) 为 11.3%(图 1)。另一项市场预测显示,到 2025 年,5G 毫米波市场规模将增长 10 倍 [1]。支持基站和小型蜂窝基础设施将需要大量的半导体封装和系统集成支持。外包半导体组装和测试 (OSAT) 供应商通常最适合投资封装
位于加利福尼亚州雷东多海滩的诺斯罗普·格鲁曼空间系统铸造厂加工异质结双极晶体管和高电子迁移率晶体管单片微波和毫米波集成电路。该铸造厂专注于微型、模块化、高速、低功耗和低温的产品。