G波段的MMIC進展如何

對更多頻譜和更多帶寬的不懈需求，以及不同波長電磁輻射的獨特應用特性，正在導致設計工作在更高頻率下的持續努力。雖然 1 GHz 至 10 GHz 僅在幾十年前被認為是一個由笨重、幾乎神奇的有源和無源組件定義的狂野前沿，而面向大眾市場產品的商用設備很少，但我們現在通常處于低個位數的 GHz 空間智能手機、Wi-Fi 和物聯網設備。5G 的進步正在推動該區域進入數十 GHz。

當今的 5G 蜂窩網絡運行在 6 GHz 及以下，未來的 5G 通信運行在 24 GHz 至 53 GHz 左右的毫米波頻率上。被稱為 6G 的下一代將推動頻率更高，以獲得更寬的帶寬和信道容量。

但為什么要停在那里？國防高級研究計劃局 (DARPA) 最近發布了有關 G 波段陣列電子學 (ELGAR)項目的公告。該機構希望業界開發能夠在 110 GHz 和 300 GHz 之間的亞太赫茲 G 波段頻率范圍內運行的單片微波集成電路 (MMIC) 和前端接收器陣列，用于射電天文學、遠程安全傳感和電信（圖1）。

圖1頻譜圖顯示了多個數量級的電磁能量；太赫茲波在標記為微波的更廣泛區域中跨越 100 GHz 至 10 THz 區域。資料來源：羅格斯大學

DARPA 為該頻段的 MMIC 設備制定了一些目標。這包括 30% 的功率放大器效率、至少 34 W/cm?2的發射陣列面功率密度和 220 GHz 時 24% 的發射陣列效率。乍一看，110 GHz 至 300 GHz 的上部毫米波 G 波段是一個有吸引力的、未被充分利用的電磁頻譜跨度，尤其是在大氣吸收率較低的 200 GHz 以上。

由于歷史情況和不同的應用管轄區相結合，G-band 名稱也被用于 4 GHz 至 6 GHz，這與現在定義為 G-band 的 100 GHz 至 300 GHz 頻譜有很大不同。由于不同的應用（雷達、射電天文和軍事）傳統上對相同的頻率/波長波段使用不同的字母名稱，例如 X、S、K，因此存在一些混淆。?有關這種情況的一些見解，請參閱 TeraSense 關于無線電頻段的說明。

近年來，業界越來越多地使用題為“IEEE 雷達頻段的標準字母名稱”的 IEEE標準 521-2002來進行與國際電信聯盟 (ITU) 定義一致的名稱。然而，許多較舊的名稱仍在廣泛使用，這可能會造成混淆。

我不知道 DARPA 發起的努力會產生什么結果，但值得關注事態發展。雖然 G 波段已經在有限但高度專業化的用途中使用，并且確實有非 MMIC 組件，但它是設計真正產品的一個非常困難的地方。例如，RF 隔離器是 RF 世界中的標準組件，用于分離在與發送和接收信號相同的路徑上沿兩個方向傳播的 RF 能量。

以自 1960 年代開始使用的法拉第旋轉隔離器為例。它廣泛用于高頻區域，Micro Harmonics Corp. 題為“專為低插入損耗設計的隔離器”的簡短應用說明讓您對開發適用于該范圍的有用組件所面臨的挑戰有所了解。一些隔離器包括用于增強熱性能的金剛石分層散熱器。

G波段的MMIC進展

隨著進入 G 波段的發展使 MMIC 相關的進展同時使用各種材料、工藝技術、支持組件以及測試和測量儀器，我懷疑下一次推動將是進入太赫茲波段。300 GHz 到 3,000 GHz 的“奇怪”區域——有人說從 100 GHz 開始，有人說在 1,000 GHz 結束——介于常規射頻和光學和紅外區域之間，正如題為“真相”的 IEEE Spectrum 文章中所討論的那樣關于太赫茲”。雖然射頻和光學都受麥克斯韋方程控制，但它們表現出非常不同的特性并且需要非常不同的組件。

現在正在進行一項大學研究工作，利用這兩個范圍之間的重疊來開發與分立激光器、LED 和光電晶體管相距甚遠的混合光子器件。例如，日本大阪大學和澳大利亞阿德萊德大學的一個聯合團隊開發了一種四通道多路復用器，該多路復用器支持以 350 THz 為中心的 48 Gbps 數據流（圖 2）。他們使用硅作為基礎材料以及標準制造技術。