本文為《微波射頻技術》雜志特約稿件，由微波射頻網首發。
SiBEAM是 Google 最新 Project Soli 毫米波（mmWave）技術服務商。

1、摘要

隨著越來越多接入互聯網的設備試圖通過現有的有線和無線方式傳播海量的多媒體內容，帶寬資源日趨緊張，而毫米波技術可提供相應的解決方案以解除帶寬危機。集成千兆收發器的全新一代器件使用60GHz免執照頻段，相比早已擁擠不堪的2.4GHz和5GHz免執照頻段可提供更充裕的帶寬資源。上述器件憑借千兆級的吞吐量可提供目前少數最先進的百兆級無線產品都無法實現的更好服務。

多種類型的應用將得益于60GHz毫米波解決方案。這些應用包括為家庭、辦公樓之間的傳統Wi-Fi網絡提升容量，用于增強無線數據和視頻流的傳輸。該技術也在用作無線接口替代消費電子和移動設備上的物理接口的應用方面顯示出了光明的前景。使用上述短距離無線連接器取代常見的體積較大的物理接口，可防止水珠、潮濕、塵土以及其他環境因素可能對設備造成的損害，實現更輕薄、更耐用的產品。

為了滿足不斷變化的市場需求，制造商已經開始轉向毫米波技術。但制造商也要考慮相關風險，包括如何從各種新興的標準中選擇最合適的以及如何選擇最佳的技術合作伙伴幫助自己的設計得以實現。本文將為讀者簡要介紹制造商在設計開發產品以滿足帶寬不足的現狀時在技術、應用以及實現方面將面臨的挑戰，幫助讀者探索各種可能性。

2、60GHz：引領下一次無線技術革命

Wi-Fi和藍牙無線技術曾經引領了移動數據革命，然而這些技術的迅速成功也伴隨著諸多問題的困擾。Wi-Fi最開始使用2.4GHz頻段，但市場對于Wi-Fi廣泛接受很快迫使Wi-Fi聯盟（Wi-Fi Alliance）進一步制定新的Wi-Fi運營規范，使用面向全球的5 GHz免執照頻段附近的一系列通道。得益于高效的5GHz無線協議以及無線架構的穩步發展，Wi-Fi滿足了筆記本電腦、平板電腦和其他移動設備日益增長的帶寬需求。

2.1.物聯網（IoT）改變游戲規則

物聯網的興起為人們不斷帶來驚喜，數字電視、咖啡機以及電冰箱等智能設備現在已經能夠接入互聯網。隨著無線互連設備的數量急劇增長，隨之而來對于接入和容量日益增長的需求將很快榨干現有無線頻段能夠提供的資源。這個問題日趨嚴峻，因為無線運營商將越來越多的多媒體流量從他們擁有執照的頻段遷移至Wi-Fi可用的“免費”頻段。

上述情況導致越來越多的產品和服務爭相接入同一個資源有限的頻段中，導致現在常用的ISM頻段很快就會達到超負荷的狀態。相關正在進行中的技術改進能夠使之緩解，但無法徹底解決網絡擁擠的問題，特別是在公寓、辦公室、公共場所以及其他用戶密度很高的區域。

要解決網絡日趨擁擠的問題，合理的解決方案是采用能夠在60GHz（毫米波）頻段上運行的技術和產品，該頻段是FCC等監管機構為行業指定的免執照頻段，擁有豐富的頻譜資源。憑借超過7GHz的頻段，細分至4條2.16GHz通道，這個新空間相比5GHz頻段可提供超過20倍的帶寬資源。

2.2.無線連接器 – 并不是一紙空談

60GHz毫米波技術還能夠為設計工程師提供創新的解決方案來解決物理接口導致的惱人問題。當使用低功耗射頻與合適的天線，毫米波數據接口能夠實現我們所說的“無線連接器”，提供更加穩定的短距離互連來實現替代現有物理接口的解決方案。實際上，SiBEAM已經推出了一款無線連接器解決方案，展示了高達12Gbp/s（全雙工）的傳輸速率。如眾所周知的Snap技術，它可用于取代大多數常見的數據和視頻接口，包括各種USB 2.0、USB 3.0、HDMI和DisplayPort接口。

無線連接器對于智能手機、平板電腦和運動相機等移動設備來說特別有用，因為它可以消除物理接口這一消費者在每天的生活中都會頻繁使用并且最易發生故障的元件。除了為口袋里的線頭、汗水以及其他常見的臟東西提供一個入口，大多數物理接口也更容易在產品的電池或其他電子元器件壞掉之前率先損壞或者從PCB板脫落。消除物理接口這種開放性接口所帶來的潛在隱患，可讓設計工程師實現“全方位防御”水珠、灰塵、泥土、濕氣以及偶爾打翻的咖啡的產品。

設計工程師使用無線連接器可實現輕薄、時尚的產品，反之，設計工程師就不得不讓產品的工業設計犧牲寶貴的空間為物理接口讓步，那么上述輕薄、時尚的產品也無從談起。現實情況中，物理接口儼然已成為產品設計的絆腳石，制造商需要使出渾身解數來滿足平板電腦、手機和其他電子設備不斷往輕薄方向發展的需求。時至今日，物理接口仍然要占整個消費電子設備將近一半的厚度。

圖1.無線連接器助力實現更輕薄、更快、更可靠的消費電子產品設計

短距離無線連接器還可解決設計工程師每天都要面對的電磁干擾（EMI）問題。電子信號在任何導體中傳輸時都會產生電磁干擾，包括線纜和印刷電路板，但是在大多數設備中，物理接口是這些惱人的無線電“噪音”的最大來源。當速率達到千兆級時，如何抑制接口產生的電磁干擾并防止其干擾其他無線功能，對于設計工程師來說成為了一項主要的系統級挑戰。該問題將會增加系統整體開發的工作量以及每件產品的單位成本。通過消除物理接口，許多系統級的電磁干擾問題也將隨之消失。正如我們很快就能看到的，無線連接器解決方案，如SiBEAM的Snap技術可幫助設計工程師解放創造力，實現更輕薄、功能更強的移動電子產品，并延長在現實生活環境中的使用壽命。

3、應用和市場機遇

免執照60GHz頻段可提供千兆級的超高速數據傳輸，對該頻段的廣泛應用將能夠滿足在可預見的未來會產生的用戶需求。用于定義這些應用的許多指導方針均基于毫米波無線電獨一無二的傳播特性。包括：

•   在毫米波頻率上，射頻信號的表現相比傳統無線電更像光線。所以，在該頻段上的早期應用都限制為視距應用。而現在情況大有不同，使用最新的創新技術如自適應波束形成和波束控制實現的應用可為消費者提供所期望的可靠的非視距應用體驗。

•   60GHz信號在空氣中傳播時會發生衰減，這個現象會大大限制其使用范圍。為了向消費者提供他們所期望的無線互連體驗，這個問題必須得以解決，而這需要系統級專業知識以及無線電和天線設計領域的專業能力。

•   此外，不同于2.4GHz和5GHz信號，60GHz射頻無法穿過大多數墻壁。這使得60GHz技術成為需要在同一個房間內提供良好用戶體驗的應用的理想選擇。

乍看之下，這些問題可能導致毫米波頻段的使用頗受限制，但實際上合理定義相關應用恰恰能將這些短板變成了“特性”，為用戶和制造商提供獨一無二的優勢。這些應用可大致分為三類，主要依據覆蓋范圍來定義。

3.1.千兆無線連接器

無線連接器，又稱短距離數據鏈路（Close Proximity Data Link），可在最長10mm的距離內為消費電子產品和電腦提供高帶寬I/O。采用SiBEAM的Snap無線技術可實現前景無限的毫米波接口。高數據吞吐量使其成為創建無線底座設備解決方案或設備間同步互連應用的理想選擇。以12 Gb/s雙向無線吞吐量為亮點的Snap技術能夠完全替代USB、HDMI或DisplayPort接口來實現數據和視頻的傳輸。Snap技術可與無線充電技術結合使用，幫助設計工程師真正實現沒有任何物理接口的設備（圖3）。

圖2.千兆無線連接器應用

3.2.室內無線互連

毫米波技術還可通過提升無線網絡容量來增強現有的Wi-Fi網絡。現實情況中，目前最適用于實現上述功能的現行標準之一是IEEE 802.11ad，即Wireless Gigabit，簡稱WiGig。該標準為運行于60GHz頻段的802.11網絡定義了一個全新的物理層，致力于實現下一代Wi-Fi網絡以減輕在2.4GHz和5.0GHz頻段可預見的網絡擁擠。

現有的802.11ad規范包含一個增強版的標準802.11媒體訪問控制（Media Access Control, MAC）層，支持高達7Gb/s的數據速率。完善的標準已建立完畢，早期產品也已上市，同時802.11ad認證項目正由Wi-Fi聯盟不斷推進和實現。

圖3.a)該實例說明802.11ad標準如何將Wi-Fi擴展至毫米波頻段

b)該實例說明WirelessHD技術將如何在消費電子產品間實現“等同于HDMI”的無線互連

當使用基于IP的數據包協議傳輸視頻流的802.11ad標準剛剛建立和興起時，基于60GHz WirelessHD標準的產品已經上市約10年了。WirelessHD標準用于在高清音頻/視頻設備間實現視頻內容的傳輸，如高清電視機、硬盤錄像機、個人電腦、移動設備以及其他消費電子產品，支持該標準的產品能夠提供像使用線纜一樣近乎零延遲的1080p60全高清視頻和多聲道音效體驗。WirelessHD技術的高吞吐量和低延遲特性是提供無線多媒體娛樂和高度互動體驗的無線游戲和虛擬現實應用的最佳選擇。WirelessHD無需電纜即可實現“等同于HDMI”的用戶體驗，并使用7GHz通道支持最高28 Gb/s的數據速率，支持2D、3D格式以及4K視頻流。

得益于易于使用以及優秀的性能，首批上市的WiHD筆記本電腦、智能手機、數字電視、視頻投影儀以及虛擬現實頭盔（VR headset）廣受好評。舉個例子，樂視的MAX1智能手機已經在中國市場獲得了肯定和人氣，很大程度上是由于其集成WiHD接口。在WiHD的幫助下，用戶能夠通過無線的方式將在MAX1上進行的游戲、播放的電影或其他視頻內容映射到視頻投影儀、LCD顯示屏或其他高清顯示屏上。如果用戶擁有的設備不支持WiHD，通過一些制造商推出的WiHD-HDMI適配器可同樣享受設置簡單以及操作方便的無線互連。

802.11ad和WiHD標準均可通過發送器和接收器IC之間的波束形成和波束控制來彌補60GHz毫米波視距傳播的短板。網絡處理器和集成相控陣天線的射頻IC可提升信號的有效輻射功率并使得無線通信系統能夠選擇最佳的可用發送/接收路徑。對于WiHD來說，該技術使得相關產品能夠支持點對點、非視距（non-line-of-sight, NLOS）的無線互連，最遠距離可達10米。

圖4.60GHz毫米波技術的有限覆蓋范圍和獨特的傳播特性可幫助多種標準在同一個家庭空間甚至是同一間房間內和諧共存。

盡管WiHD和802.11ad支持不同的協議和應用，但人們希望它們兩者能夠在同一個家庭空間甚至是同一房間內和諧共存（圖4）。

3.3.室外千兆無線鏈路

毫米波技術還可在未來的回程基礎設施應用上扮演重要角色，包括下一代5G移動寬帶基礎設施、固定接入回程擴展以及校園內的點對點鏈路，在這些應用中，60GHz通道的無線網絡容量以及高度優化的射頻鏈路使其成為理想的“無線光纖”，用于替代現有的光纖回程應用。

圖5.60GHz無線光纖使用情境

目前市場上各類解決方案為占領更多的市場份額激烈競爭，但現在的大多數系統都建立在IEEE開發的IEEE 802.11ad標準上。除了上文中提到的室內應用之外，針對802.11標準的修改還包括在60GHz毫米波頻段支持長距離鏈路（距離最長可達500米）。這會使用為10米距離的室內互連而開發的相同的波束形成技術，以支持多種其他的使用情境，包括接入點連接以及室外回程鏈路。

4、實現策略

想要進入新興的60GHz市場的企業必須懂得如何處理隨著這項新技術而來的許多錯綜復雜的問題。本節將為您介紹毫米波技術領域的前沿動態。包括欠缺經驗的開發工程師可能面臨的一些潛在風險、陷阱和技術上的死胡同等。與此同時，我們將分享克服這些挑戰的一些切實可行的策略。

4.1.全面考慮

采用CMOS制程：要實現贏得市場的產品，需要使用射頻集成電路（RFFIC）來降低裝配、測試和制造方面的成本。使用60GHz頻段的商用設備上市已經有一段時間了，但是大多數RFIC制造商仍依靠特別的制程，如砷化鎵（Gallium-Arsenide, GaAs）或硅鍺（silicon-germanium, SiGe）制程，集成度非常有限并且很難降低成本。而更高的解決方案成本將會極大地限制小批量應用市場的使用，從而進一步阻礙了為客戶提供合理定價的可能性。

隨著可用于生產毫米波器件的商品級深亞微米CMOS制程的出現，這樣進退兩難的困境已經得以解決。由于不再需要那些特殊的半導體制程，CMOS RFIC現可將毫米波產品的成本控制在消費電子市場能夠接受的程度。

5、你愿意使用現成的解決方案嗎？

只要有合適的商業化解決方案，那么它常常就是最佳的選擇，特別是對于早期進入市場的產品來說。現有的RFIC能夠縮短產品上市時間并且降低開發成本，你可以將更多的資源用于實現那些使你的產品與眾不同的特性。

在采用現有的芯片/芯片組之前，下列事項值得考慮：

•   產品需要支持哪些主要的使用情境？室內無線視頻？還是校園內的千兆數據傳輸？或是需要以超快的速度短距離傳輸大量數據？使用情境決定采用哪種60GHz技術。

•   是否希望產品能夠與其他品牌的產品連接？換句話說，你打算提供終端到終端的系統（封閉系統），還是必須要符合行業標準的產品，從而能夠與支持相同標準的其他品牌產品協同工作？

•   產品是由電池供電還是使用交流電？鏈路吞吐量、傳輸距離、天線設計和元器件選擇之間的權衡將基于可用的供電方式以及設計時需考慮的產品使用時長。

•   產品面臨哪些工業設計限制？任何無線設計都需要小心布局系統內的射頻電路。而由于60GHz毫米波波長很短，又帶來了額外的技術挑戰。在小尺寸的設備中，如智能手機，散熱和熱量管理也會提升設計復雜程度。

•   整體預算是多少？對于任何項目來說，成本將對選擇使用哪種技術產生重要影響。根據吞吐量、距離、尺寸和布局，不同的無線元器件和系統級實現將會決定最終的成本。

5.1.進一步考慮

找到合適的合作伙伴：為了開拓60GHz市場需要制定能夠贏得市場的戰略，這需要有經驗的合作伙伴，不僅要具備專業知識、經驗和客戶支持能力，還要能夠幫助客戶迅速捕捉市場機會。全球具備這樣的資質的公司并不多，而SiBEAM正是這樣一家公司，在過去十年中已經通過大規模CMOS晶圓廠大量生產了毫米波IC。

SiBEAM公司擁有一套完善的“專為生產而設計”的體系，使其能夠方便地使用商品級深亞微米CMOS制程來設計和驗證產品。SiBEAM的成功部分可歸功于其為生產而制定的成熟的閉環設計流程，在該流程中，使用在CMOS制程流程中收集到的數據作為生成器件生產測試向量的輸入數據。在生產測試中，基于上述高精度的測試向量生成的結果將為設計工程師提供反饋，這樣他們就可以調整設計，優化成品良率和性能。

圖6.SiBEAM的集成設計/制造體系的前半部分采用由用于器件制造的特定CMOS制程的實際特性生成的測試向量。

憑借在毫米波射頻領域十多年的深厚經驗，SiBEAM擁有經驗證的生產體系，已經在多種半導體制程節點上使用。該體系能夠適用于不同制造設施采用的不同制程節點。

與SiBEAM成為合作伙伴的另一項關鍵優勢是SiBEAM的開發流程以客戶為中心。公司提供“從開始合作到硬件實現”的全方位支持，貫穿設計、制造、測試和部署的每一個環節，如：

•   與射頻有關的設計問題，包括為實現最佳性能所需的射頻元件的布局和集成。
•   熱量管理規劃–散熱（氣流、散熱路徑等）
•   封裝和實現
•   合規性測試
•   FCC條款15B – 非故意排放（EMI）
•   FCC 條款15C – 故意排放

6、總結

隨著2.4GHz和5GHz ISM頻段的容量趨向于飽和，免執照的毫米波頻段提供了市場急需的開放頻段，為無線網絡的容量和接入提供了新的空間。相關標準已經建立，可用于定義室內Wi-Fi服務和室外點對點的長距離回程鏈路以及“最后一哩”的移動設備接入應用。毫米波技術也為實現超短距離的“無線連接器”奠定了基礎，可消除傳統物理接口帶來的耐用性、電磁干擾和工業設計問題。

通過先進的CMOS技術，使用更加經濟的方式發掘60GHz頻段應用的潛力正逐漸成為現實，不過同時也會面臨諸多嚴峻的工程挑戰。盡管可以采用現成的元器件，但是射頻元件的布局和集成、封裝、散熱設計和測試問題還是需要大量的內部專業人員加以解決，或者需要尋求經驗豐富的合作伙伴的幫助。隨著五代CMOS毫米波器件的先后面世，并憑借完善的“為生產而設計”的體系，SiBEAM是助你解決千兆無線網絡挑戰的最佳合作伙伴。

7、參考文獻

•  Wikipedia entries on IEEE 802.11ad
http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11ad
and
http://en.wikipedia.org/wiki/Wireless_Gigabit_Alliance
 
•  Wikipedia entry on IEEE 802.11ay
http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=IEEE_802.11ay
 
•  "IEEE 802.11ad Microwave Wi-Fi / WiGig Tutorial" – Radio-Electronics.com
http://www.radio-electronics.com/info/wireless/wi-fi/ieee-802-11ad-microwave.php
 
•  "SiBEAM Snap And WiGig Wave Goodbye To Physical Connectors," Matt Humrick, March 4, 2015 Tom's Hardware Page
http://www.tomshardware.com/news/sibeam-snap-60ghz-wireless,28636.html
 
•  "WiGig Alliance to consolidate activities in Wi-Fi Alliance," Dong Ngo, January 3, 2013
http://www.cnet.com/news/wigig-alliance-to-consolidate-activities-in-wi-fi-alliance/

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