新兴应用对微波技术进行测试

RF 和微波设计工程师生活在一个神秘的世界中，在这个世界中，“应该”工作的电路却不工作，仿真工具只能让您走这么远，并且信号传播会随着一天中的时间、天气以及是的相位变化而变化月亮。今年，变幻莫测的以太将考验“场和波”业务中最优秀的人才，因为应用程序将比以往任何时候都更需要他们的才能。要做的事情很多，时间有限，而且都不容易。

第五代蜂窝技术 5G 是一个极好的例子，因为它是自无线远见者 Martin Cooper 于 1973 年使用手持电话进行第一次蜂窝电话以来范围最广的变化。从那时起，蜂窝网络的频率已经从 UHF 提升到微波，但 5G 将使它们的频率提高一个数量级以上，达到毫米波长，在这种情况下，几乎所有与通信相关的事情都变得更加困难和昂贵。

“那里”的信号只会传播到它遇到的第一件事物，无论是树、路标还是建筑物。之后，信号被分散，强度严重降低，几乎检测不到。但这正是蜂窝技术的发展方向，因为很少有频谱保持在较低频率，以适应传输由流媒体视频、游戏和虚拟现实生成的泽字节数据所需的巨大带宽。为了使毫米波网络成为现实，设计人员需要所有可用的工具，从高阶调制技术到多用户“大规模”MIMO，以及相控阵天线，目前是国防雷达系统的专属领域。

他们还必须利用在这些频率下工作的少数半导体技术，主要是硅锗 (SiGe) 和 RF CMOS，这两种技术在某种程度上仍在进行中。这不仅仅是在基站中；智能手机设计人员肩负着将大规模 MIMO 集成到袖珍型设备中的艰巨任务，以及更多的频段和防止用户的手吸收毫米波信号这看似不可能的问题。

说到正在进行的工作，那就是物联网，射频和微波技术紧随其后。这里的挑战不是高频、更高的数据速率或晦涩的技术；恰好相反。IoT 网络以低得多的频率运行，最大限度地降低数据速率和信道带宽，并使用现有技术创建非常便宜的“边缘设备”，其大小与火柴盒一样大，可以使用纽扣电池运行长达 10 年。

与在毫米波前沿的荒野频率上运行相比，这可能不是一个技术挑战，但这并非微不足道。连接边缘设备的竞争解决方案太多，这让设计人员的任务变得更加复杂，而且毫不奇怪，这些解决方案大多是不兼容的。无论连接解决方​​案是什么，例如蓝牙 5、Zigbee 或其他十几个竞争者，都需要一个网状网络来让它们相互通信。

设备生成的数据必须传输到网关，在那里数据被聚合、进行最低限度的处理以减少数据量，然后通过蜂窝网络或低功耗广域网 (LPWAN) 发送到互联网。这在一个普通的家庭自动化系统中已经够困难了，但在整个智能城市、5,000 英亩的农场或制造设施中，这将成为一个巨大的挑战。

我们也不能不提到自动驾驶汽车发展的狂热步伐，将上述挑战与机动性结合起来，需要提供非常精确、近乎实时的车辆态势感知。车辆需要相互通信并与外部传感器通信，例如安装在“街道家具”上的摄像头，从路灯到交通信号灯。由于政府、汽车制造商和设备制造商都渴望使无人驾驶汽车成为现实，因此必须尽快找到所有利益相关者都能同意的通信解决方案。

理想情况下，这将是一个简单的过程：分配频率、无线接入方法和其他通信规范，然后向前推进。现实远非理想，两个阵营现在正在争夺至高无上的地位。政府对专用短程通信 (DSRC) 的承诺已有 18 年之久，1999 年为其分配了 5.9GHz 的频谱。它需要专用的通信基础设施和“路边单元”，而这两者目前都不存在。蜂窝行业拥有无处不在的基础设施和先进的数据通信，并认为 DSRC 过时。蜂窝行业可能会赢得这场战争，但并不容易。

物联网、5G 和自动驾驶汽车还面临着另一个巨大的通信挑战：将延迟减少到接近消失点。延迟是从发送信号到到达所需目的地之间的往返时间。这不仅仅是推进最先进技术的问题；它使设计师与不变的物理定律背道而驰。也就是说，给定路径上的延迟只能减少这么多，这从根本上取决于两点之间的距离。这意味着要达到 5G 禁止的 1ms 延迟以及某些物联网应用所需的延迟，通信路径必须非常短，因此需要使用大量的小型基站（小型基站）。这将是极其昂贵和极其复杂的。

这些只是工程、科学和学术界必须解决的一些问题，以便 5G 和物联网实现其美好的承诺，并让自动驾驶汽车在不可预测的世界中发挥作用，同时确保我们的安全。在许多其他领域中，射频和微波技术发挥的作用虽然不那么突出，但仍然很重要。简而言之，存在必须填补的巨大技术差距，秒表正在运行。

审核编辑：汤梓红