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先进的循环器克服了毫米波设计的挑战

更大的隔离和带宽使电信供应商和雷达技术设计师充分利用毫米波频谱

作者:Diane Kees, COO, Micro Harmonics Corp

随着通信供应商竞相发挥5G的潜力,研究和设计项目已经将目光投向了6G和其他领域。超高速宽带速度(可能高达10gbit /s)的前景可以将蜂窝技术推入新的市场,如智能城市、联网车辆、国防和快速扩张的物联网。然而,一个主要的障碍等待着即将到来的移动上毫米波(mmWave)频谱;即缺乏可接受的毫米波组件,如循环器。

“这是我们面临的一个巨大的技术挑战,”洛杉矶加州州立大学教授Fred Daneshgaran说,他专门研究射频设计、电信和量子通信。因此,Daneshgaran经常在一些最尖端的射频军事和电信项目中担任首席技术人员。

带有5G蜂窝网络天线的电信塔。来源:微谐波公司。

Daneshgaran解释说:“在更高的数据速率下支持数十亿用户的唯一方法是继续利用越来越高的频段,因此组件将不得不迎头赶上。”“然而,问题是,随着频谱的增加,制造能够在这些频率下工作的循环器等关键部件变得越来越困难。”

在向上移动

5G频谱的高端(26至86 GHz)将在数据速度、容量、质量和减少延迟方面提供很大的飞跃。然而,在这样的频率下,发射/接收组件的设计就变得至关重要。如果没有进步,部署能够在更高的频谱上运行的系统——在太赫兹范围内(100ghz - 10thz), 6G和7G将运行——也将处于危险之中。

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认识到国家安全可能受到影响,美国国防部在2020年底宣布了6亿美元的5G试验和测试奖励。在这种推动力下,诸如天线、波导、隔离器和循环器等微波元件正在开发中,这些元件能够在毫米波频率高达330千兆赫甚至更高的情况下进行宽带操作。

来源:微谐波公司。

Daneshgaran解释说:“对于电信基础设施来说,循环系统是一个特别重要的组成部分。“能够同时发射和接收信号的天线系统通常很昂贵,因为它们是相互的设备。为了把信号分开,你必须在前端安装一个类似循环器的东西,否则你就需要两根不同的天线。”

基本上,一个循环器是一个三端口设备,在其中,功率进入任何端口被旋转传输到下一个端口。因此,任何信号进入端口1,输出端口2,任何信号进入端口2,输出端口3。

毫米波频率下的双工问题不仅是电信应用的问题,也是雷达技术的问题,雷达技术依靠循环器将传输路径上的信号与接收侧的信号分离。

解决性能问题

在最近为一家大型商业承包商设计和建立一个研发系统的努力中,Daneshgaran的团队由于缺少一个能够在120 GHz运行的循环器而停止了工作。

“理论上,你可以设计一个,然后模拟它的性能,它会很好。然而,实际上制作它们更多的是一门艺术,而不是一门科学,”Daneshgaran解释道。“在毫米波范围内制造循环器是非常困难的。我们很难找到能够在我们需要的频段内生产循环器的人,更不用说我们想要的高隔离和宽带宽了。”

无论是高速数据传输和接收,还是目标检测,隔离都是一个关键参数。

攀登者开始爬手机信号塔。来源:微谐波公司。

“如果循环器没有良好的端口到端口隔离,就会出现自干扰;这意味着我试图发送的信号会干扰我试图接收的信号,”他补充道。所以,你需要尽可能多的隔离。”

Daneshgaran继续说:“我们使用的循环器展示了一些非常可怕的隔离。”“在我们工作的频率下,我们实现了近30db的端口到端口隔离,这是一个很大的数字。一般来说,甚至连20岁以上都很难。”

环行器还必须提供宽频带,这是毫米波频率的主要挑战。

数据速率与带宽大小成正比

Daneshgaran说:“对于电信来说,带宽越大,支持的数据就越多。”“这是因为你的数据速率与你在载波频率附近拥有的带宽量成正比。”

Daneshgaran继续解释说,在雷达应用中,宽频带很重要,因为它涉及到连续的频率扫描。带宽越大,在给定的扫描中就越容易识别目标。

清洁“几千兆赫”,

在新的、先进的循环器中,通过放弃复杂的介质阻抗匹配元件而采用机械工程解决方案,实现了带宽的增加。这使得从一个程序集到下一个程序集的性能具有高度可重复性。

Daneshgaran指出:“通过这些循环器,我们将获得一个干净的‘几千兆赫’,如果不是更多的话,带宽将在我们的应用所寻求的30分贝隔离特性限制内。”“如果我们愿意接受20dB的端口隔离,我们就可以拥有4千兆赫或更多的带宽,这是非常重要的。”

Daneshgaran总结道:“由于在寻找可行的mmWave组件方面的最初延误,我们真的需要投入进来,进行一些我们已经落后的测量。”由于采用了先进的循环器,我们的机器自安装以来一直在连续运行,我们对结果非常满意。

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Diane Kees是Micro - Harmonics公司的首席运营官,该公司专门从事mmWave应用的组件。

www.MicroHarmonics.com


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