克服毫米波设计与下一代循环器的挑战

文章作者:EEWeb

5G的推出一直是渐进的;从sub- 6ghz范围开始，然后随着时间的推移扩展到24.25 GHz及以上的毫米波范围。正是在这一5G频谱的高端(24.25 GHz到86 GHz)，数据速度、容量、质量和减少延迟方面的巨大飞跃将使蜂窝技术进入新的市场。

然而，将毫米波应用到毫米波频率上面临着一个难题，这可能会阻碍人们期待已久的技术突破，如智能城市、自动驾驶汽车和物联网。它还将对军事和国防产生深远的影响。

“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(California State University, Los Angeles)专门研究射频设计、电信和量子通信的教授弗雷德·达内什加兰(Fred Daneshgaran)说。

他解释说:“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。”

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到10thz)， 6G和7G将运行——也将处于危险之中。

对电信基础设施至关重要

2020年底，美国国防部发现，如果mmWave组件的问题得不到妥善解决，国家安全也会受到影响。该公司很快宣布了6亿美元的奖励，用于5G试验和测试。在这种推动力下，诸如天线、波导、隔离器和环行器等微波元件正在开发中，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。

Daneshgaran说:“对电信基础设施来说，一个特别重要的组成部分是循环系统。”“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。为了保持信号分离，你必须在前端放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，任何进入端口1的信号都会从端口2输出，任何进入端口2的信号都会从端口3输出。

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，”他说。“然而，实际上制作它们更像是一门艺术，而不是一门科学。在毫米波范围内建立循环器是非常困难的。

他补充说:“起初，我们找不到任何人能够在我们需要的频段内生产循环器，更不用说我们想要的高隔离和宽带宽了。”

在继续寻找具有必要属性的循环器的过程中，Daneshgaran和他的团队了解到Micro Harmonics，该公司在与NASA合作的SBIR项目中开发了mmWave系统的循环器。

微型谐波公司专门从事mmWave应用的组件，并成功开发了从25 GHz到150 GHz的高级循环器生产线。

Daneshgaran说:“微谐波公司对设计进行了微调，以满足我们在非常精确的频段内所需的性能特征。”

无论是高速数据收发还是目标检测，隔离都是一个关键参数。

他补充说:“如果循环器没有良好的端口到端口隔离，就会产生自干扰——这意味着我试图发送的信号会干扰我试图接收的信号。”“所以你想要尽可能多的独处。

“微谐波循环器展示了一些非常棒的隔离，”Daneshgaran说。“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。

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。

在微谐波的情况下，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，实现了循环器带宽的增加。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说:“通过这些循环器，我们获得了几千兆赫甚至更多的带宽，在30分贝隔离的特性限制内，我们寻求应用。”“如果我们愿意接受20 dB的端口隔离，我们就可以拥有4 +千兆赫的带宽，这是非常重要的。

Daneshgaran总结道:“由于在寻找可行的mmWave组件方面出现了最初的延误，我们真的需要介入并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。

这篇文章最初发表于EEWeb．