依托功率放大器组件进军 mmWave（毫米波）应用领域

以前，更高的无线数据传输速率是通过日益复杂的调制方案实现的，即在同一频谱切片中封装更多的比特数据。该方案目前已触及实际应用极限，因此未来无论是面向商用 5G 吞吐量应用设计，还是大容量军用链路，都将依赖更宽的带宽，而非更密集的调制。这一技术转型迫使设计人员转向毫米波(mmWave) 频谱，通过丰富的频谱资源能实现各种全新功能，但也带来了一些列截然不同的设计挑战。

5G 通信系统正受益于最初由国防企业开展、历经多年的研究工作。例如，源自国防领域的相控阵天线技术，可实现波束扫描与多目标同步跟踪，如今已在 5G 应用中被广泛采纳，用于向多个用户同时传输多路数据流。商用系统越来越多地在 28 GHz 和 39 GHz 等频段上运行，以获取多千兆比特链路所需的带宽。

Analog Devices, Inc 等公司利用其在国防工业应用中积累的毫米波专业技术知识，提供既符合国防性能要求，又能满足商业基础设施制造所需的标准组件。先进的高频 IC 表面贴装技术有助于 5G 技术大规模部署。

5G 和国防工业都依赖先进的高频硬件。5G 网络针对特定的窄频谱切片进行优化，以最大限度地提高吞吐量，而电子战 (EW) 等军事应用则需要较宽的工作带宽，以确保频谱感知能力。尽管存在这些差异，但 5G 领域对宽调制带宽的发展推动，已在制造业层面催生了一种共生利好。

这些领域在毫米波技术上的融合，实现了商业部署所需的制造规模。此外，这种融合还大大降低了之前依赖昂贵的小批量“芯片和导线”组装工艺来生产军事应用产品的相关成本。

这种规模依赖于高度集成的射频 IC (RFIC)、相控阵模块和易于使用的测试方案。现在，这些方案越来越多地提供给小型设计公司，而这类公司过去缺乏大型国防承包商的预算或专业化能力。

这种相互促进还形成了一个共享的测试基础设施。过去，测试 28 GHz 和 39 GHz 的相控阵天线需要昂贵的大型消声室。5G 的广泛普及促进了经济实惠的现成 OTA 测试解决方案的开发，国防公司可利用这些解决方案迅速解决产品开发难题，而无需大量的资金投入。这种经过验证、可直接投用的构建模块的普及，让各种规模的设计公司都可以将毫米波作为一个易于管理的子系统，从而能够更轻松地将有前景的毫米波应用从原理框图转化为可部署的硬件。

频谱创新

数十年来，无线技术创新一直采用两种根本不同的方法：将更多信息编码到每个不同的信号状态（符号）中，或扩大用于传输信息的频谱空间。

较简单的调制方案优先考虑稳健性和信号完整性，而较复杂的方案则通过每个符号传递更多比特来提高数据吞吐量。基本调制方式用少量信息（如单比特）表示每个符号。设计人员可以通过使用更复杂的调制方案（如 QAM）对每个符号进行更多信息编码，或在更高频率的毫米波频段中接入更宽的频谱信道，从而提高系统性能。

调制决定了如何将数据打包到载波上，而功率放大器 (PA) 则确保数据比特到达预定目的地。在商用 5G 领域中，功率放大器优先考虑指定频段内的效率和线性度，以支持高吞吐量相控阵。不过在军用系统中，通常追求更宽的频率范围和更高的功率，以提升雷达清晰度、卫星通信能力和易用性。

即使调制技术越来越先进，通过特定载波频率 (F_C) 频段推送数据的数量仍存在基础极限。其中一个关键原则是，数据吞吐量与信道宽度直接相关，即调制信号的带宽 (F_BW)。要实现更高的数据传输速率，需要更宽的载波频率信道，就好比从拥挤的单车道公路转换到十车道高速公路（图 1）。

图 1：以载波频率为中心的调制带宽表示法。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

此外，还需要考虑 DC 限制。在这种限制下，规定信号的频率不能低于 0 赫兹。当信号经调制时，会围绕载波频率形成频率扩散，工程师称该扩散区域为边带。但是，如果载波频率过低，理论上该信号的一部分就会延伸到这一极限以下，这在实际中是不可能的。因此，工程师必须将载波频率提升到更高频段（如毫米波频段），以确保完整的信号在可用的频谱范围内顺畅地传输。正是这种在高频条件下的“绝对接地”，使得宽带高速信道成为可能。

将这两项原则相结合，有助于阐明设计人员为何为了商用 5G 和国防系统而转向毫米波频段。一旦调制复杂度达到实际极限，大幅提高吞吐量的唯一方法就只能是提高载波频率，并开辟更宽的频谱通道。因此，向毫米波技术迁移，不仅仅是一种行业发展趋势，更是实现现代应用所需的海量数据传输速率和高分辨率感知的硬性物理要求。

攻克设计难题

向毫米波频段的技术迁移，重塑了无线硬件的物理设计，对商业和国防系统都产生了深远影响：

• 更高的频率可以压缩波长，从而实现天线小型化。通过这种微型化，可将阵列直接集成到芯片或紧凑的模块上。
• 波长越短，波束越窄，角度分辨率越高。这意味着雷达可以分辨间距较近的目标，且 5G 基站可将能量精确地集中到单个用户。
• 这些技术在商业应用中的广泛普及，推动了向表面贴装技术 (SMT) 的转型。SMT 支持采用塑料或陶瓷封装的高集成度模块的自动化生产。

这些根本性变化为毫米波系统设计人员带来了机遇和新的工程挑战，例如：

• 高频工作会导致路径损耗增加、天线效率降低，以及对非线性、热效应和寄生布局问题更加敏感。
• 宽带宽要求会对射频前端器件提出严苛的性能要求，而在诸如 5G 的相控阵波束成形或国防领域高分辨率雷达等的系统级限制，则会使设计过程更加复杂。

商用设计人员必须在效率、线性度和集成度之间找到平衡点，以支持大规模的 5G 基础设施。另一方面，国防领域设计人员通常需要更高的输出功率、更宽的带宽以及可适应的雷达、卫星通信和战术通信的多频段工作。

工程师必须在各类专用 IC 之间做出选择。具体选择标准通常视具体应用而定：优先考虑性能优化，还是多功能性。

在毫米波频段下，路径损耗会显著增加，高阶调制方案更容易失真。因此，对于商用 5G 而言，确保相控阵天线在各自频段内都能有效地实现高吞吐量，是其核心要求。军用系统也会遇到类似挑战，只不过这类系统的重点在于：为保障雷达测距或卫星通信 (SATCOM) 链路性能，最大限度地提高输出功率。

为此，ADI 推出了 HMC863ALC4 频段优化型功率放大器，可在 24 GHz 至 29.5 GHz 的窄带内进行调谐，达到峰值效率，以满足 5G 应用需要。这款放大器具有高线性度、17 dB 增益、+21 dBm 输出功率，并达到 22.5% 的额定功率附加效率 (PAE)。该值用于测量相对于直流消耗功率所产生的额外射频功率。这款放大器在紧凑的 4 mm × 4 mm SMT 封装内集成了所有这些功能，使商业设计人员能够在支持自动化装配流程的同时保证强大的吞吐量。EV1HMC863ALC4 评估板（图 2）为设计人员提供了一个硬件平台，用于在设计射频前端正式定型前，完成 PA 的性能、散热性能、偏置网络和测量设置的验证工作。

图 2：EV1HMC863ALC4 为鉴定毫米波窄带应用的实际性能提供了一个评估平台。(图片来源：Analog Devices, Inc.）

国防领域的设计人员通常需要让系统在更宽的带宽内运行，以实现高雷达分辨率或多波段通信能力，并可能为实现这一目标而牺牲效率。在这种情况下，可以采用 ADPA7005CHIP 功率放大器，该器件具有很宽的工作范围，从 20 GHz 到 44 GHz；根据不同的子频段，PAE 通常在 8% - 13% 之间。该器件的输出功率为 +33 dBm，增益为 14 dB，直流到射频转换效率为 45%，所有功能均集成在 7 mm × 7 mm 紧凑型 SMT 封装中，显著简化了与紧凑型模块的集成。该器件凭借宽频段覆盖能力与高输出功率特性，完美适配高灵活性、高性能国防应用，涵盖从高分辨率雷达到远距离通信系统的许多应用。ADPA7005-EVALZ 测试平台（图 3）集成了散热器，有助于在开发针对宽带毫米波应用的高复杂度设计过程中，实现有效散热。

图 3：EVAL-ADPA7005AEHZ 评估板有助于开发更复杂的宽带毫米波应用。(图片来源：Analog Devices, Inc.）

结语

向毫米波频率技术的迁移是全球通信和国防技术的关键技术转型。无论是用于相控阵 5G 基础设施还是紧凑型 EW 系统，集成毫米波模块都需要既能支持自动化、可重复装配，又能保持热性能和信号性能的组件。ADI 的设计人员在设计功率放大器之初就仔细考虑了带宽、线性度和效率，因此能够满足商用和军事应用的要求。