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什么是无线模块技术?

来源:电子发烧友网工程师  发布时间:2018-08-31   点击量:86

一、什么是射频?

射频芯片是一个比较专业的方向,相对于整个半导体设计是一个很小的技术方向。要总结一下中国企业在什么样的路上,尤其是射频的方向非常难。

大家知道互联网万物互联的概念,这个概念已经比较老了,现在大家提的是IOE。这是2014年11月《哈佛商业评论》给的一张表格,它预计2020年的时候全球每个人介入的网络设备是6.58台。手机、IPLED、笔记本电脑、智能汽车、智能电器,稍微一算六七台设备很容易达到。未来五年、十年,会有更多的设备接入进来。那么这些设备是怎么连接呢?就是无线通信,无线通信把各个小的终端连在一个网络里面,怎么实现呢?就是射频技术。

这是传统的机械卫星,它非常笨重和昂贵,这样的卫星用在现在智能互联网很难。但是如果用相控阵天线做集成,无论是尺寸、成本、功耗都会有几个数量级的降低,让它的普及变成一种可能,这就是射频集成电路的优势。讲了这么多,那到底什么是射频?射频顾名思义就是能够发射的频率。电磁波其实就是一种交变的电磁场,这种交变的电磁场能够在自由空间进行传输,所以射频就是具有远距离传输能力的一种高频电磁波。这里面有几个概念,一个叫做频率,什么叫频率?刚才讲它是交变,交替变化。单位时间一秒能有多少个周期变化呢?这个周期的个数我们把它叫做频率。大家经常听到它的工作频率是多少,就是它一秒钟能够变化的次数。它每变化一个次数需要多少时间,这就叫周期,所以频率和周期成反比。它在中间传输的时候,波长定义成一个周期的时间能传播的距离,所以用自由空间电磁波传输的速度去乘以周期的时间,就变成了波长。射频的频段就像时间的横坐标轴一样,像昨天、今天和明天。射频也是一样,低射频到高射频,3Hz到300G的频段叫做射频,在300G以上叫做太赫兹。射频的频段再细分,3Hz到300M就是无线电,可以用在广播上。在300M到300G叫做微波,再细化,从300M到3G,波长是1米到10厘米,这种叫做分米波。3G到30G,波长10厘米到1厘米,我们叫做厘米波。30G到300G,波长对应10个毫米到1个毫米,这种叫毫米波,这是概念上的区别。

频谱是非常重要的资源,任何通信协议使用到的频谱,一定要符合频谱规范。中国的频谱是这样划分的,超长波、长波、中波、短波、厘米波、毫米波。西方国家是用波段来划分的,比如L、S、C波段等等。

那日常生活中有哪些通信技术呢?大家稍微理一理,射频技术已经遍及生活的各个角落。第一个,无线局域网。相信每家都有一个无线局域网。60G通信的特点是数据率非常高,通信距离近,TP-LINK前两年发布了全球第一款支持802.11ad协议的路由器,也就是一个4K的高清电影,要想传输的话,只需要几分钟。传输几千张高清照片,只需要几秒钟。较远距离通讯(如隔墙)时,需要用802.11a/b/g协议。

全球定位系统GPS,是大家出门旅游不可或缺的。迪卡侬的每一件衣服都有一个标签,这是900M的频段范围的RFID。移动通信网络,从第一代的大哥大到现在的4G,到几年以后的5G,可能未来的6G。2012年前大家的手机采用2G网络,刷个网页都需要很久。现在大家的4G网络,可以很顺利地看电影、电视,它的通讯数据率有了急剧的提升。包括近距离的无线网,像蓝牙、NFC、雷达、卫星通信,射频技术已经广泛应用到各个领域。

通信系统。我把通信系统画成框图,这里面会经过两种变换。首先一个非电到电的变换,例如有一个声音信号,要通过手机传输出去,必须先采集声音信号。把声音信号传换成电信号,这是非电到电的转换。转换完成之后,会把采集过来的电信号从低频搬到射频频段,射频是比较高的频段。为什么要搬呢?是因为频谱是非常珍贵的资源,大家不能够都用在低频,一来这会造成干扰,无法通信,二来搬移到更高频率后可以更好的利用频谱资源。另外,射频的尺寸和波长是相比拟的,工作频率越高,波长越短,所需要的天线尺寸越小。这是一个通信系统最基本的组成,我们讲到的射频芯片部分在这里。我们把它从低频搬到高频,在射频频段进行处理,这是射频前端在收发机当中的位置。

这里面有哪些模块和元器件呢?最基本的元器件有电感、电容、电压器。然后是模块,功率器放大器、混频器、振荡器、射频开关。其次是收发模块。再后来是双工器、天线。这是射频前端应用到的器件和模块,模块有些是分离器件,也可以做进一步集成。射频集成电路在什么样的工艺上实现呢?随着射频电路工艺的发展,特征尺寸逐渐减小。65纳米工艺特征频率可达到将近200G。大家普遍倾向于采用CMOS工艺来实现,最重要的原因是它很便宜,可以把射频、数据处理部分等都集成在一起,这样手机可以高度集成,体积减小,而且非常便宜。但CMOS特征尺寸越小,射频电路的设计难度也越高。

这是RFIC的部分照片,这是最早的一颗蓝牙收发机照片,这边是60GHz,这是ADI公司今年2月份在旧金山发布的多模射频芯片,它集成了2G、3G、4G、5G,是能够向下兼容的收发机芯片。

二、未来射频的发展方向


从移动通信来讲,第一,多模多带。就是未来的5G手机要向下兼容4G、3G、2G。如果只支持5G,不兼容4G,这个手机的销量会很差。多带,就是有多个频带,作为一个手机,不可能只支持一个频带,这样有可能到了美国就不能用了。

第一,高性能。高灵敏度,高输出功率、增加通信带宽、提高数据率。

第二,低功耗、低成本。

第三,高度集成。现在讲的射频IC不仅仅是集成射频模块,还能够把模拟电路等统统集成起来,这个时候才能把它的成本降下来。

第四,提高频谱效率。

第五,更高的载波频率、充分利用频谱资源。

第六,新的技术和应用领域。

射频技术是推动无线产品的强大动力。



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