黃　建

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

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毫米波寬帶綜合化信道技術(shù)研究進(jìn)展與展望*

黃建

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

根據(jù)現(xiàn)代毫米波頻段軍民用電子信息系統(tǒng)并行多功能、全頻帶、集成化發(fā)展趨勢，提出了毫米波綜合化信道技術(shù)發(fā)展需求。綜述了國內(nèi)外寬帶綜合化信道架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展，提出了基于可配置寬帶毫米波前端的信道架構(gòu)、全信道單片集成、超導(dǎo)技術(shù)、寬帶線性固態(tài)功放等毫米波綜合化信道技術(shù)發(fā)展方向，給出了開展毫米波寬帶綜合化信道技術(shù)研究的建議。

毫米波；射頻綜合化;收發(fā)信道;軟件定義無線電;關(guān)鍵技術(shù)；研究進(jìn)展

1　引　言

信息技術(shù)的迅速發(fā)展必將深刻改變未來戰(zhàn)爭形態(tài)，信息戰(zhàn)將逐漸成為主要的作戰(zhàn)形式，信息優(yōu)勢將成為決定勝負(fù)最重要的作戰(zhàn)優(yōu)勢。射頻(Radio Frequency，RF)技術(shù)是目標(biāo)信息、戰(zhàn)場態(tài)勢、情報、指控等軍事信息獲取、傳輸、分發(fā)的主要途徑以及信息化作戰(zhàn)的主要手段之一，制信息權(quán)要求軍事電子信息系統(tǒng)必須具有寬頻譜射頻信號感知、截獲、處理、發(fā)射能力，而射頻綜合技術(shù)能夠大大增強(qiáng)這種能力?，F(xiàn)代武器系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)、多任務(wù)并行、遠(yuǎn)程精確打擊和信息化戰(zhàn)場生存能力要求電子信息裝備多功能一體化，同時滿足集成化、小型化、輕量化、低功耗、高可靠等要求，以提高信息化作戰(zhàn)綜合效能，射頻綜合技術(shù)是實現(xiàn)多功能一體化集成的有效技術(shù)途徑。射頻綜合技術(shù)采用通用化、開放式、軟件可配置架構(gòu)，可降低裝備成本，縮短研制周期，實現(xiàn)軍事電子裝備的新技術(shù)插入和快速升級換代。因此，射頻綜合技術(shù)是未來電子信息裝備發(fā)展的主要方向，受到各軍事強(qiáng)國的高度重視和大力推動。美國20世紀(jì)末提出了基于開放式系統(tǒng)架構(gòu)的多功能一體化集成、可重構(gòu)、可擴(kuò)展的射頻綜合化航空電子系統(tǒng)，采用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、可互操作模塊和軟件實時控制與調(diào)度技術(shù)實現(xiàn)射頻資源共享[1]，開展了電子戰(zhàn)綜合射頻傳感器研發(fā)[2]。瑞典提出了M-AESA計劃，開發(fā)綜合雷達(dá)、電子戰(zhàn)和數(shù)據(jù)鏈功能的寬帶共享相控陣孔徑，并研發(fā)獨(dú)立于平臺的下一代綜合化射頻微波技術(shù)[3]。美國航天局提出了軟件無線電(Software Defined Radio，SDR)的多模式、多頻段、多功能綜合化空間電子系統(tǒng)通用射頻硬件平臺架構(gòu)[4]，以實現(xiàn)多任務(wù)復(fù)用和功能擴(kuò)展，縮短研發(fā)周期，降低任務(wù)成本，并易于技術(shù)更新和升級。我國也提出了機(jī)載電子信息系統(tǒng)綜合化架構(gòu)、基于軟件無線電思想的射頻綜合化設(shè)計[5]和直升機(jī)載射頻傳感器綜合化系統(tǒng)架構(gòu)[6]，開展了射頻綜合關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)并應(yīng)用到型號研制中。

在民用移動通信領(lǐng)域，由于2G/3G/4G技術(shù)演進(jìn)和目前多種主流標(biāo)準(zhǔn)并存，且同一通信標(biāo)準(zhǔn)又同時采用了多個頻段，長期來看必然存在多模式多頻段通信同時使用。為了避免同時建設(shè)多種基站等通信基礎(chǔ)設(shè)施，減少用戶終端品種、數(shù)量，提高設(shè)備集成度，需研發(fā)多頻段多模式移動通信綜合射頻系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用通用化射頻硬件平臺實現(xiàn)寬帶無線信號收發(fā)，通過軟件配置實現(xiàn)特定頻段和通信標(biāo)準(zhǔn)的射頻功能。研究者比較了可配置多標(biāo)準(zhǔn)無線通信收發(fā)信道架構(gòu)[7]，提出了基于SDR的多模移動通信終端接收機(jī)架構(gòu)[8]和基于基帶-射頻變換的發(fā)射機(jī)架構(gòu)[9]。下一代認(rèn)知無線電系統(tǒng)必須具備全頻譜RF接收和發(fā)射能力，以實現(xiàn)實時頻譜感知和工作頻段選擇。國外提出了射頻和中頻兩級信道化的SDR無線電系統(tǒng)接收機(jī)架構(gòu)[10]和多模式多通道全數(shù)字發(fā)射機(jī)架構(gòu)[11]。國內(nèi)清華大學(xué)采用SDR架構(gòu)實現(xiàn)了多模無線通信的硬件平臺[12]。

寬帶綜合化射頻信道為電子信息系統(tǒng)提供多任務(wù)共享、多功能集成和可靈活配置的寬帶射頻處理能力。寬帶綜合化射頻信道技術(shù)是支撐信息化武器裝備的多任務(wù)綜合化電子信息系統(tǒng)、多功能一體化射頻傳感器和多模式多頻段無線通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。寬帶綜合化射頻信道具有以下關(guān)鍵特性：一是超寬帶特性。目前信息化武器裝備使用的射頻頻譜已超過100 GHz，民用無線通信和衛(wèi)星通信頻率已經(jīng)達(dá)到Ka頻段，未來5G通信和無線局域網(wǎng)頻率將擴(kuò)展到60 GHz或更高，因此綜合化射頻信道至少應(yīng)具備覆蓋1 MHz～40 GHz的超寬帶射頻信號發(fā)射、接收和處理能力，并可向上擴(kuò)展到100 GHz。二是硬件通用性。射頻硬件滿足多種射頻功能一體化集成的需要，可多平臺通用，并易于實現(xiàn)低成本。三是軟件可配置性。適應(yīng)多任務(wù)共享、多標(biāo)準(zhǔn)兼容，并可通過軟件加載實現(xiàn)功能擴(kuò)展和動態(tài)升級。四是集成化。滿足小型化、輕量化、低功耗和高可靠等要求。五是開放性。硬件具有模塊化結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化接口，易于實現(xiàn)新技術(shù)、新工藝插入和性能升級，同時也能充分利用商用貨架技術(shù)降低成本。

本文綜述了寬帶綜合化射頻信道技術(shù)研究現(xiàn)狀，提出寬帶綜合化毫米波信道及其關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢和研究建議。

2　綜合化射頻信道架構(gòu)研究概況

隨著射頻應(yīng)用頻譜擴(kuò)展和技術(shù)進(jìn)步，先后出現(xiàn)了多種綜合化射頻信道架構(gòu)。

2.1分段共享射頻模塊的綜合化變頻信道架構(gòu)

該信道架構(gòu)如圖1所示，通過多個不同頻率的窄帶變頻信道組合實現(xiàn)寬帶射頻收發(fā)功能。每個接收信道均采用多級變頻將射頻信號變到中頻，再進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換。發(fā)射信道由中頻經(jīng)多級上變頻到射頻后進(jìn)行功率放大。為了實現(xiàn)不同頻段射頻模塊資源共享，并滿足干擾抑制、信道選擇性、發(fā)射功率和接收動態(tài)范圍等要求，接收預(yù)選器、功放、變頻濾波器、中頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog Digital Converter，ADC)等部件均采用多個按頻帶劃分的模塊，通過開關(guān)矩陣實現(xiàn)信道重構(gòu)和多功能復(fù)用。

圖1分段共享RF模塊的綜合化信道架構(gòu)

Fig.1 Integrated transceiver architecture with sharing RF modules in multi-stage

這種信道架構(gòu)的射頻頻帶越寬、使用射頻功能越多，采用模塊的品種、數(shù)量就越多，體積、重量、功耗越大，成本越高。通過模塊標(biāo)準(zhǔn)化和通用化設(shè)計可以一定程度上降低成本，通過矩陣開關(guān)和變頻信道本振頻率配置，信道具有一定的可編程能力。采用一次變頻和中頻正交數(shù)字化可以避免采用集成性和可編程能力較差的鏡頻抑制濾波器[13]，零中頻或低中頻架構(gòu)可進(jìn)一步提高集成度。采用可調(diào)元件設(shè)計的射頻前端單片集成電路可同時具備高集成度和一定的可重構(gòu)能力[14]。

2.2射頻帶通采樣接收機(jī)架構(gòu)

該接收機(jī)架構(gòu)如2圖所示。

圖2射頻帶通采樣接收機(jī)架構(gòu)

Fig.2 Receiver architecture with RF band-pass sampling

該架構(gòu)對射頻信號進(jìn)行帶通采樣(Band-Pass Sampling，BPS)和模數(shù)變換，然后在數(shù)字域進(jìn)行信道濾波、變頻和基帶處理。將采樣和ADC推進(jìn)到RF帶來多種優(yōu)點(diǎn)：除了射頻濾波器和低噪聲放大器(Low Noise Amplifier，LNA)等少數(shù)部件外，接收機(jī)主要功能均在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)，大大增加了信道的軟件可重構(gòu)能力；在多個RF信號頻帶分布滿足一定條件和恰當(dāng)選擇采樣率等條件下，信道具備同時處理多個頻帶RF信號的能力，從而實現(xiàn)多任務(wù)、多功能并行工作；采用數(shù)字域帶通和低通濾波可實現(xiàn)更好的信道選擇性和匹配濾波，從而具有更好的干擾抑制能力和接收靈敏度;采樣率遠(yuǎn)低于射頻頻率，硬件易于實現(xiàn)。

這種架構(gòu)需采用可調(diào)預(yù)選濾波器抑制強(qiáng)干擾信號以避免阻塞，預(yù)選濾波器通常是高Q值帶通濾波器，這種濾波器通常難以實現(xiàn)集成化和軟件配置。該架構(gòu)下只能采用射頻增益自動控制和幅度均衡，接收寬帶大動態(tài)射頻信號需要很高ADC分辨率，增加了數(shù)字域處理負(fù)荷，導(dǎo)致成本和功耗增大。

采樣頻率的選擇對帶通采樣接收機(jī)性能具有決定性影響，對于特定的多頻段無線寬帶接收機(jī)，需通過適當(dāng)?shù)乃惴▉韺ふ易罴巡蓸宇l率和ADC分辨率，以避免信號混疊和減小信噪比損失[15]。對于連續(xù)寬帶射頻信號，帶通采樣不可避免會引入干擾或噪聲混疊，因此還必須結(jié)合適當(dāng)?shù)亩嗤◣V波器(Multi-band Filter,MBF)[16]或某種可調(diào)RF濾波器[17]才能實現(xiàn)有一定通用性的寬帶射頻前端。

2.3直接射頻采樣離散時間混頻接收機(jī)架構(gòu)

該接收機(jī)架構(gòu)如圖3所示。

圖3直接射頻采樣離散時間混頻接收機(jī)架構(gòu)

Fig.3 Receiver architecture with direct RF sampling and discrete-time mixer

該架構(gòu)對RF信號進(jìn)行直接Nyquist采樣或過采樣，經(jīng)離散時間(Discrete-Time，D-T)混頻和低通濾波，再進(jìn)行中頻重采樣和數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing，DSP)。高采樣率克服了BPS架構(gòu)通用性較差的缺點(diǎn)，但現(xiàn)有的DSP帶寬和吞吐率難以滿足數(shù)字域直接處理要求，因此采用D-T混頻后再進(jìn)行中頻數(shù)字化處理。

D-T域處理可以采用開關(guān)電容電路和Gilbert乘法器等模擬電路實現(xiàn)，具有可編程能力，能夠滿足寬帶信號處理和靈活配置的需求。為減小中頻帶寬，可采用D-T正交混頻技術(shù)。采用諧波抑制混頻器可抑制本振諧波附近的干擾和噪聲分量[18]。

顯然，該接收機(jī)架構(gòu)具有更高通用性和良好的可配置特性。但是，由于采樣率至少為最高射頻頻率的2倍，對于RF采樣、D-T濾波器、D-T混頻本振信號產(chǎn)生電路速率的要求極高。Ru等[19]利用65 nm CMOS工藝實現(xiàn)了單片集成0.2～0.9 GHz的8倍過采樣D-T混頻接收機(jī)。但對于毫米波頻段信號而言，即使Nyquist采樣也很難實現(xiàn)。

2.4直接RF采樣數(shù)字處理接收機(jī)

這種接收機(jī)架構(gòu)如圖4所示。

圖4直接RF采樣數(shù)字處理接收機(jī)架構(gòu)

Fig.4 Receiver architecture with direct RF sampling and digital signal processing

該架構(gòu)將ADC和DSP推進(jìn)到射頻前端，具有最好的軟件可配置性和通用性，但要求ADC具有高采樣率和大動態(tài)。目前，商用ADC已實現(xiàn)對15 GHz信號進(jìn)行數(shù)字化，采樣率達(dá)4 Gsample/s。采用基于階躍恢復(fù)二極管窄脈沖取樣、肖特基二極管混頻器采樣和超導(dǎo)快單磁通量子(Rapid Single Flux Quantum，RSFQ)ADC等技術(shù)可以實現(xiàn)對更高頻率微波信號直接數(shù)字化。由于接收機(jī)瞬時帶寬受限于ADC帶寬、數(shù)字處理的吞吐率和處理能力，覆蓋毫米波頻段的寬帶接收機(jī)需采用多通道結(jié)構(gòu)[20]。

2.5全數(shù)字綜合化發(fā)射機(jī)架構(gòu)

綜合化發(fā)射機(jī)也有多種方案：采用零中頻-低中頻和模擬上變頻方案[21]可實現(xiàn)較高的集成度和發(fā)射信號載頻，但模擬部件較多，特別是需要高Q值的射頻濾波器，可重構(gòu)能力較差；采用數(shù)字上變頻技術(shù)可以實現(xiàn)更高的集成度和可配置能力；全數(shù)字綜合化發(fā)射機(jī)通過將數(shù)字化向天線推進(jìn)，減少中頻和射頻硬件模塊，可極大地提高軟件可配置能力和集成度。但以上方案發(fā)射信號載頻和帶寬均受DSP能力和數(shù)字器件頻率限制。

基于射頻-數(shù)模變換器的可配置多模式RF發(fā)射機(jī)架構(gòu)，Mohr等[22]采用65 nm CMOS工藝實現(xiàn)了單片集成發(fā)射機(jī)。針對該架構(gòu)中PWM/Σ-Δ調(diào)制器編碼效率低和高Q值RF重建濾波器可調(diào)性差的問題，采用基于嵌入現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)的靈巧發(fā)射機(jī)[23]，在單個FPGA器件內(nèi)產(chǎn)生RF載波，并實現(xiàn)了載波頻率、帶寬、動態(tài)范圍等重要發(fā)射機(jī)參數(shù)的可配置。

基于數(shù)字域兩級上變頻的新型全數(shù)字發(fā)射機(jī)架構(gòu)如圖5所示。通過多相、多通道數(shù)字域功率合成[24]，并采用數(shù)字射頻功放[25]，可提高全數(shù)字發(fā)射機(jī)射頻輸出功率。全數(shù)字發(fā)射機(jī)具有最高的發(fā)射信道集成度和可配置性，但無論從頻率還是發(fā)射功率來看，毫米波頻段全數(shù)字發(fā)射機(jī)在未來較長時間內(nèi)都還難以實現(xiàn)。

圖5全數(shù)字發(fā)射機(jī)架構(gòu)

Fig.5 Transmitter architecture with all-digital channel

3　毫米波寬帶綜合化信道關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展

3.1接收阻塞信號和發(fā)射噪聲抑制技術(shù)

在復(fù)雜電磁環(huán)境下不可避免地有強(qiáng)干擾信號進(jìn)入毫米波寬帶綜合化接收信道。特別是來自鄰近電子設(shè)備的有意或無意發(fā)射的強(qiáng)干擾信號和全雙工信道自身的發(fā)射信號，當(dāng)其導(dǎo)致接收信道阻塞時，接收機(jī)靈敏度將顯著下降，甚至無法正常工作。因此，必須在接收信道輸入端對阻塞信號進(jìn)行抑制，同時還不能影響微弱信號的正常接收。

對于接收頻帶外強(qiáng)阻塞信號的抑制通常采用接收預(yù)選濾波器來實現(xiàn)，其濾波特性對阻塞信號頻帶具有高抑制度，而對有用信號頻帶具有低損耗。預(yù)選濾波器一般采用高Q值的帶通濾波器(Band Passing Filter，BPF)，但難于實現(xiàn)電調(diào)諧和集成化。

毫米波電可調(diào)窄帶、低損耗濾波器是預(yù)選濾波器的最佳方案，目前還沒有取得突破。基于可調(diào)電磁諧振腔的濾波器體積大，調(diào)諧速度慢；基于可調(diào)電容電感的濾波器在毫米波頻段損耗太大，聲表面波濾波器和體聲波濾波器目前無有效調(diào)諧方法，且工作頻率低。用鐵電或電致伸縮材料制作的濾波器可調(diào)范圍低于20%，難以滿足寬帶應(yīng)用要求。通過開關(guān)濾波器陣列和窄帶可調(diào)濾波器組合可實現(xiàn)寬帶覆蓋，但體積大且開關(guān)損耗較大。

對于較低的頻段，采用Si CMOS工藝可制作具有一定可調(diào)能力的L、C、R元件，進(jìn)而實現(xiàn)有限可調(diào)的集成濾波器?；陂_關(guān)電容電荷共享、D-T域 BPF和反饋-阻抗組合的高Q值RF BPF[26]均具有可配置性，但頻率、帶寬和帶外抑制尚難以滿足高頻、寬帶應(yīng)用要求。文獻(xiàn)[27]基于有源反饋對消的轉(zhuǎn)移阻抗濾波器實現(xiàn)了2～6 GHz范圍內(nèi)頻率可調(diào)帶阻濾波，對特定頻率窄帶阻塞信號可提供約20 dB的抑制，從而提高接收機(jī)輸入三階交點(diǎn)(Input 3rd-Order Intersection Point，IIP3)約8 dB，但有源反饋環(huán)路噪聲注入導(dǎo)致噪聲系數(shù)惡化2.5 dB。在LNA動態(tài)范圍具有足夠大時，可以采用阻塞信號前饋對消方法。對全雙工信道自身發(fā)射的干擾信號，可以引入輔助發(fā)射通道，產(chǎn)生對消信號耦合到接收機(jī)輸入端抵消干擾信號[28]?；赗F-MEMS的開關(guān)濾波陣列能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模集成的可編程 “頻率門”，對于信道帶寬固定的SDR和認(rèn)知無線電(Cognitive Radio，CR)寬帶射頻前端是一種可行的方案[29]。

綜合化信道自身發(fā)射或其近旁發(fā)射機(jī)發(fā)射的帶內(nèi)干擾和噪聲信號可通過預(yù)選濾波器進(jìn)入接收機(jī)，導(dǎo)致接收靈敏度惡化。一般在發(fā)射機(jī)輸出采用窄帶收阻濾波器加以抑制。對于可變頻率寬帶發(fā)射機(jī)，收阻濾波器也需要具有阻帶可配置能力和通帶低插入損耗特性，同時能夠承受大的射頻功率。

對于信道自身發(fā)射的接收帶內(nèi)噪聲，可以采用對消技術(shù)進(jìn)行抑制。具體實現(xiàn)上，可以直接耦合部分發(fā)射噪聲進(jìn)行射頻對消，也可以經(jīng)數(shù)字化處理后在基帶進(jìn)行對消[30]。前者簡單但可配置性差，后者可配置性較好但會額外引入噪聲。

毫米波寬帶綜合化信道阻塞信號抑制技術(shù)發(fā)展方向主要是毫米波電調(diào)濾波器陣列結(jié)合低損耗開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)寬帶可配置的低損耗射頻預(yù)選濾波器和收阻濾波器，并采用數(shù)字化輔助通道在中頻或基帶處理上實現(xiàn)發(fā)射噪聲對消。

3.2寬帶大動態(tài)RF前端技術(shù)

寬帶綜合化接收機(jī)需同時處理頻譜分布寬且電平相差大的多種不同應(yīng)用的射頻信號，必須具有寬帶大動態(tài)范圍，其中射頻LNA和混頻器必須具有高的IIP3。

LNA需具有低噪聲系數(shù)和足夠的增益，同時又要承受寬帶內(nèi)較高電平的射頻信號并保持線性工作狀態(tài)。可采取的提高LNA動態(tài)范圍的措施有：一是提高LNA器件動態(tài)范圍。目前基于GaN HEMT的LNA具有與基于GaAs pHEMT的LNA相當(dāng)?shù)脑肼曄禂?shù)[31]，功率承受能力比后者高15～20 dB，P-1dB增加約10 dB。二是通過LNA的功率合成技術(shù)，可以進(jìn)一步提高LNA的功率承受能力和線性動態(tài)范圍，然而功耗也將成倍增加。三是采用后失真線性化技術(shù)，減少LNA的非線性交調(diào)失真[32]。對于混頻器，可以采用高動態(tài)GaN HEMT電阻性混頻器[33]，或采用功率合成技術(shù)提高混頻器線性動態(tài)范圍。

3.3諧波抑制混頻器(Harmonic Rejected Mixer，HRM)技術(shù)

對于毫米波頻段的寬帶綜合化接收信道，目前ADC的輸入帶寬不能滿足直接采樣要求，且后端DSP能力也難以滿足直接數(shù)字化的處理要求，因此射頻前端必須先進(jìn)行下變頻(或帶通采樣)，通常在ADC之前進(jìn)行下變頻。對毫米波發(fā)射信道，目前數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換調(diào)制器還不能直接產(chǎn)生毫米波信號，也必須采用上變頻器。毫米波變頻器主要基于微波二極管混頻器實現(xiàn)。由于混頻器的非線性，在變頻同時會產(chǎn)生諧波混頻分量和交調(diào)分量，這些分量一般都通過濾波器加以抑制，而濾波器會降低信道可集成性。對寬帶信道，有些諧波和交調(diào)分量會落入中頻或發(fā)射信號頻帶內(nèi)，無法用濾波器濾除。

HRM技術(shù)采用多路多相位本振混頻，能夠較好地抑制諧波混頻和交調(diào)分量，可顯著提高寬帶變頻信道的雜波抑制能力。抑制2～6次諧波的HRM已經(jīng)成熟并得到應(yīng)用[34]，一些HRM技術(shù)可抑制2次以上所有諧波混頻分量[35]，在寬帶綜合化射頻信道中具有良好的應(yīng)用前景。

3.4高速采樣和ADC技術(shù)

對寬帶RF信號進(jìn)行直接采樣，再進(jìn)行D-T域可編程處理或數(shù)字域處理是寬帶綜合化接收信道的終極目標(biāo)，高速采樣和ADC技術(shù)是其中的關(guān)鍵技術(shù)。

利用采樣脈沖驅(qū)動毫米波混頻器，可以實現(xiàn)對毫米波信號的采樣。采用微波光導(dǎo)開關(guān)實現(xiàn)了40 GHz毫米波信號的直接采樣，但其插入損耗大于10 dB，開關(guān)比13 dB，還需要進(jìn)一步提高[36]。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，利用InP-HBT工藝可以制造毫米波頻段的高速數(shù)字邏輯電路，其中高速采樣/保持電路和ADC可達(dá)到60 Gsample/s的采樣率，可以滿足毫米波頻段低端信號直接采樣的要求。

采用超導(dǎo)RSFQ數(shù)字電路技術(shù)，已經(jīng)實現(xiàn)了對29.44 GHz信號直接采樣和ADC[37]。

3.5寬帶大動態(tài)ADC技術(shù)

對寬帶多功能數(shù)字化接收機(jī)，寬帶大動態(tài)ADC是最為關(guān)鍵的部件。目前采樣率高于5 GHz的高速ADC分辨率一般小于8 b，無虛假動態(tài)范圍不超過50 dB，難以滿足毫米波寬帶接收機(jī)高靈敏度和大動態(tài)接收的要求。擴(kuò)展高速ADC動態(tài)范圍的技術(shù)有下面兩種：

(1)結(jié)合可配置MBF[38-39]，根據(jù)預(yù)測射頻功率譜分布動態(tài)配置MBF濾波特性，使弱信號通過濾波器的同時抑制部分頻帶的強(qiáng)信號，降低輸入信號的動態(tài)范圍。

4　寬帶綜合化毫米波信道發(fā)展趨勢

4.1基于可配置毫米波前端和中頻采樣SDR的毫米波綜合化信道架構(gòu)

綜合化信道始終在向RF采樣 SDR的全數(shù)字化方向發(fā)展。對于寬帶綜合化毫米波收發(fā)信道，由于頻率高、帶寬大、功能復(fù)雜，傳統(tǒng)SDR架構(gòu)無論在射頻性能還是DSP能力短期內(nèi)都難以滿足應(yīng)用要求。因此，未來毫米波綜合化信道的發(fā)展趨勢是采用可配置寬帶毫米波收發(fā)前端結(jié)合寬帶中頻采樣SDR架構(gòu)。毫米波前端主要實現(xiàn)接收預(yù)選濾波、寬帶低噪聲放大和下變頻，以及發(fā)射上變頻、寬帶功率放大和收阻濾波等功能。中頻以下采用SDR架構(gòu)，采用較高中頻可實現(xiàn)大瞬時帶寬。毫米波前端可以采用高性能微波集成電路工藝集成，中頻采樣SDR則采用深亞微米Si CMOS工藝集成，因而這種架構(gòu)可以實現(xiàn)優(yōu)良的毫米波收發(fā)性能和頻段可擴(kuò)展性，同時又充分利用了SDR可配置和集成化的優(yōu)點(diǎn)。

最后端上八寶飯，我猜他一定不會碰了。沒想到，梁先生居然大笑說：“這個我要。”朋友提醒他：“里面既有糖又有飯。”梁先生則笑說：“我前面不吃，是為了后面吃??！因為我血糖高，得忌口，所以必須計劃著，把那‘配額’留給最愛?！?/p>

在這種架構(gòu)下，DSP難以實現(xiàn)同時處理全部RF帶寬，全頻段接收只能分時處理或多通道處理，均需要毫米波前端具有一定的可配置能力，即可以通過軟件對包括信道濾波、本振頻率、帶內(nèi)幅相均衡等信道特性進(jìn)行配置。前端可配置性不僅可以使綜合化毫米波信道具備多任務(wù)、多功能能力，還可以降低中頻SDR的采樣率、帶寬和動態(tài)范圍要求。

這種架構(gòu)下主要關(guān)鍵技術(shù)包括：頻率和帶寬可配置的低損耗毫米波集成預(yù)選濾波器技術(shù)和大功率收阻濾波器技術(shù)；通帶數(shù)量、各通帶頻率和帶寬可配置的集成毫米波MBF技術(shù)；毫米波寬帶HRM技術(shù)；大功率、高效率寬帶毫米波功放技術(shù)等。

4.2綜合化信道單片集成技術(shù)

綜合化信道的優(yōu)點(diǎn)之一就是多功能集成化和小型化，隨著新型半導(dǎo)體材料的應(yīng)用和先進(jìn)半導(dǎo)體工藝的開發(fā)，毫米波信道正在進(jìn)一步向單片集成化發(fā)展。綜合化信道包括多功能射頻電路和數(shù)字電路，單片集成工藝必須具備在同一工藝流程下制作兩種電路的能力。目前主要有4種工藝：

(1)Si基CMOS技術(shù)

隨著Si CMOS FET的柵長進(jìn)入到納米級，其截止頻率已進(jìn)入亞毫米波頻段，因此Si CMOS器件可以實現(xiàn)多種毫米波低功率RF功能電路。同時，Si CMOS工藝可以制作大規(guī)模的數(shù)字電路和FPGA，因此基于亞微米尺度的Si CMOS工藝可以實現(xiàn)毫米波寬帶綜合化信道的單片集成，其不足之處是毫米波頻段射頻性能較差。

(2)SiGe BiCMOS技術(shù)

SiGe BiCMOS工藝是在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝上增加幾道工序，可制作SiGe 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(Heterojunction Bipolar Transistor，HBT)，SiGe HBT截止頻率是同樣特征尺寸CMOS FET的2倍，并具有更高的輸出功率。SiGe BiCMOS工藝兼容Si CMOS工藝，并具有更好的射頻性能，因此是實現(xiàn)毫米波寬帶綜合化信道單片集成的較好選擇，但射頻性能仍有不足。

GaAs ED工藝可以實現(xiàn)微波性能優(yōu)良的高電子遷移率晶體管，同時也能制作高速數(shù)字電路，是高性能微波多功能單片集成電路的首選工藝。其缺點(diǎn)是成本較高，并且數(shù)字電路功耗較大。

(4)InP HBT技術(shù)

InP HBT截止頻率高，也能制作毫米波頻段的超高速數(shù)字電路，可用于高性能毫米波綜合化信道的單片集成，但成本更高。

因此，根據(jù)綜合化信道的頻率、性能、集成度和成本要求，毫米波綜合化信道可以采取不同的工藝或綜合應(yīng)用多種工藝實現(xiàn)性價比最優(yōu)化。

4.3超導(dǎo)技術(shù)及應(yīng)用

超導(dǎo)技術(shù)在毫米波綜合化信道中具有廣闊的應(yīng)用前景，主要應(yīng)用包括以下四個方面：

(1)用于毫米波預(yù)選濾波器

超導(dǎo)具有極低的歐姆損耗，可用于制作低損耗、高選擇性的毫米波濾波器，用作接收預(yù)選濾波器具有明顯優(yōu)勢。

(2)用于毫米波超低噪聲接收前端

采用超導(dǎo)可制作低損耗微波傳輸線、匹配元件等無源電路以及混頻器等有源電路部件，并與低溫低噪聲放大器集成，實現(xiàn)毫米波超低噪聲接收前端，噪聲溫度可達(dá)20 K以下，同時還能擴(kuò)展接收機(jī)動態(tài)范圍。

(3)用于高速采樣-保持器、ADC和數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(Digital-Analog Converter，DAC)

超導(dǎo)RSFQ技術(shù)可實現(xiàn)時鐘頻率770 GHz以上的超導(dǎo)數(shù)字電路，并具有極低噪聲，可用于制作采樣率達(dá)到毫米波頻段的高速采樣-保持器、ADC和DAC等核心器件。

(4)超導(dǎo)計算機(jī)和DSP

高速、大吞吐率的DSP是毫米波寬帶綜合化信道的瓶頸。基于超導(dǎo)RSFQ的超導(dǎo)中央處理器或DSP處理速度比現(xiàn)有水平可提高2個量級，是突破毫米波綜合化信道高性能數(shù)字信號處理瓶頸的技術(shù)途徑之一。

超導(dǎo)技術(shù)在毫米波寬帶綜合化信道應(yīng)用的主要關(guān)鍵技術(shù)有毫米波超導(dǎo)濾波器和多工器技術(shù)設(shè)計制造技術(shù)、超導(dǎo)無源電路與毫米波LNA集成技術(shù)、基于超導(dǎo)RSFQ高速ADC、DAC和DSP技術(shù)等。

4.4毫米波寬帶線性固態(tài)功放技術(shù)

輸出功率是發(fā)射信道最重要的技術(shù)指標(biāo)。寬帶毫米波綜合化信道必須具備毫米波寬帶功率輸出能力，在特定頻段和應(yīng)用需要大功率發(fā)射并有線性度要求。毫米波頻段的寬帶、大功率、高效率線性功放是實現(xiàn)這些技術(shù)要求的關(guān)鍵部件。

基于電真空器件的毫米波功放具備高效率和大功率能力，但其工作電壓高、壽命較短、頻帶窄和體積大、難以集成等缺點(diǎn)限制了在寬帶發(fā)射信道中的應(yīng)用。目前，基于GaN pHEMT功放單片集成電路和功率合成技術(shù)，毫米波固態(tài)功放已具備與行波管相當(dāng)?shù)拇蠊β誓芰?，并可實現(xiàn)倍頻程以上工作帶寬，具有壽命長、體積小、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，是毫米波寬帶綜合化信道發(fā)射機(jī)的發(fā)展趨勢。

寬帶毫米波固態(tài)功放關(guān)鍵技術(shù)包括：高效率、大功率寬帶毫米波固態(tài)功放單片集成電路技術(shù)；多倍頻程寬帶毫米波高效功率合成技術(shù)；輸出功率可軟件配置的高效率、大功率固態(tài)功放技術(shù)；寬帶功放線性化技術(shù)等。

5　結(jié)束語

經(jīng)過十余年廣泛和深入的研究，寬帶綜合化信道技術(shù)取得了令人矚目的進(jìn)展。這些進(jìn)展包括：綜合化信道架構(gòu)向全頻段覆蓋、全功能并行、全數(shù)字化方向發(fā)展，提出了多種先進(jìn)的綜合化信道架構(gòu)，部分完成了實物驗證；毫米波寬帶射頻前端主要技術(shù)得到突破，但寬帶可配置MBF、HRM和固態(tài)功放等關(guān)鍵部件頻率和性能有待提高；高速寬帶ADC等核心器件已具備對Ka頻段信號進(jìn)行直接數(shù)字化能力，但動態(tài)范圍差距較大；DSP能力還難以實現(xiàn)Ka全頻段SDR處理，只能采用分時窄帶處理或多通道并行處理來滿足寬帶處理需求。綜合來看，目前已經(jīng)具備開展Ka頻段毫米波寬帶綜合化信道研發(fā)的條件。

在毫米波頻段寬帶通信、雷達(dá)、測控、偵察、電子對抗等多功能一體化軍用電子信息系統(tǒng)以及包括5G移動通信在內(nèi)的民用多頻段多模式通信系統(tǒng)等需求推動下，射頻綜合技術(shù)正從微波頻段向毫米波擴(kuò)展，技術(shù)進(jìn)步將大大加快這一進(jìn)程。目前，覆蓋40 GHz的寬帶綜合化信道技術(shù)研發(fā)和設(shè)備研制亟待開展。

我國應(yīng)緊密結(jié)合應(yīng)用需求，跟蹤綜合化信道技術(shù)發(fā)展前沿，研究技術(shù)可行、體制先進(jìn)和頻率擴(kuò)展性好的毫米波寬帶綜合化信道架構(gòu)，梳理該架構(gòu)下的技術(shù)體系，制定關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)規(guī)劃，系統(tǒng)開展綜合化信道總體設(shè)計、仿真和測試技術(shù)研究;加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，開展Ka頻段綜合化信道原理樣機(jī)研制，逐步提高綜合性能和技術(shù)成熟度，并向毫米波高端擴(kuò)展，支撐未來毫米波多任務(wù)、多功能、可擴(kuò)展、易升級綜合化電子信息系統(tǒng)研發(fā)和應(yīng)用。

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黃建(1971—)，男，四川鄰水人,分別于1993年和1996年獲電子科技大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位，現(xiàn)為研究員、中國電子學(xué)會高級會員、中國電子學(xué)會微波分會委員，主要研究方向為毫米波電路與系統(tǒng)。

HUANG Jian was born in Linshui,Sichuan Province,in 1971.He received the B.S. degree and the M.S. degree from University of Electronic Science and Technology of China in 1993 and 1996,respectively.He is now a senior engineer of professor and also a senior member of Chinese Institute of Electronics, a committee member of Microwave Branch.His research concerns millimeter-wave circuit and system.

Email：huangjianem@sohu.com

Progress and Prospect of Integrated Wideband Transceiver Channel Technology in Millimeter-wave Band

HUANG Jian

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

According to the trend of modern military and civil millimeter-wave(MMW) electronic information systems with simultaneous multifunction,full-band working and high integration,the requirement of developing integrated transceiver channel up to MMW frequency is proposed.The progress of the research works on architectures as well as the associated key technologies of integrated wideband transceiver channel is reviewed.The directions of technology advancing are presented including transceiver architecture based on reconfigurable wideband MMW front-end,all transceiver monolithical integration,superconductive technologies and wideband linear solid-state power amplifier.Suggestions for future research works in this field are given.

millimeter-wave;RF integration;transceiver channel;software defined radio(SDR);key technology;research progress

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.09.020

2016-05-23；

2016-06-23Received date:2016-05-23；Revised date：2016-06-23

huangjianem@sohu.comCorresponding author：huangjianem@sohu.com

TN83;TN85

A

1001-893X(2016)09-1060-09

引用格式：黃建.毫米波寬帶綜合化信道技術(shù)研究進(jìn)展與展望[J].電訊技術(shù)，2016,56(9):1060-1068.[HUANG Jian.Progress and prospect of integrated wideband transceiver channel technology in millimeter-wave band[J].Telecommunication Engineering,2016,56(9):1060-1068.]