5G通信组件技术特点及5G通信网络军事领域应用

周华

身份证号：320882198506123235 江苏南京 210000

摘要：介绍现阶段3种5G射频组件与其在军事和通信领域应用。描述射频微机电系统（RF MEMS）开关，物联网能量收集器和射频表面声波滤波器（RF SAW）3种器件的内部构造和技术特征以及其对提高通信应用管理所发挥的作用，结合各自技术特征提出5G通信配套元件在军事通信领域中的未来应用价值。

关键词：5G；物联网；射频识别技术；声表面波；能量收集器

前言：伴随物联网的形成和新一代移动网络5G的明确，电源电路与设备技术获得较大发展。本文紧紧围绕3种5G器件技术及构件进行探究，即射频/微波微机电元器件、物联网感应能量收集器、声表面波过滤器，并探讨了3种构件在军事和通讯运用中的技术可行性，最后列出其军事应用场景。

一、射频微机电系统

RF MEMS元器件作为微机电系统（MEMS）和射频识别技术（RF）的融合种类，因其体型小、便于集成化、功耗小、稳定性好、Q值大等特点使之可以代替传统无线通信设备的半导体元器件（包括MEMS电源总开关、MEMS电力电容器、MEMS谐振器等），还能一体化在同一块微处理芯片上组成零部件和控制器（包括过滤装置、VCO、RF MEMS移相器等）。在可预见的较长时间内，功率半导体元器件（也被称为第三代半导体元器件）无疑是电子产品尤其是输出功率电子设备发展的主流。现阶段在国防通信设备层面，国内电力电子器件与MEMS元器件融合，已逐步替代更新原来的晶体集成电路芯片+功率放大电路融合的方式，并成为通信设备、光学、雷达等配套构件电路原理的新发展理念。RF MEMS电源开关与IGBT元器件结合，在输出功率与高频率兼顾，高指标值与可靠性高要求兼顾的情形下带来的改变是颠覆性的，比如可广泛运用于军事相控阵雷达无线天线T/R控制模块中，该模块性能提升对于武器装备整体效能的发挥意义重大。

二、热－电能量收集器

微机电系统（MEMS）产品研发中的一项关键技术就是微电力能源。热－电能量收集器可将所收集的少量内部消耗发热量，自生产加工为电磁能。能量收集器发热量指标有温度、梯度、热流等，与其相匹配的动能数据采集终端如温度差充电电池或者热电柴油发电机等，它以塞贝克效应为依托，依据环境温度区别将热能立即转换成电磁能。温差电池主要是由金属材料与半导体材料两个原材料构成，在其中金属材料具备更强热电效应。热电效应强度与热－电能转化效率相匹配。小型热－电发电机中运用更为成功的案例如日本精密热电腕式手表，它运用十个热电控制模块搜集人与环境间温差转化成微瓦规模的能量来促进腕表移动，在一定条件下实现“永动”。

物联网最缺的就是数量众多的感应器，物联网可将态势、动能，信息的传递、收集、处理进行汇总，辅助判断生成指令，传感器种类越多，功能越强，物联网所发挥的实际效能越大。在此背景下，一种面向物联网射频收发元件的自供电低功耗热－电－光一体化微型传感器构造计划方案应运而生，以热－电－光一体化中小型能量收集器为动能转换模块，同时搜集射频功率变大仪运行时消散热量与环境温差、太阳能能源，搜集完的电磁能可以发送到射频接收部件，用于低功耗控制器（LNA）或通过微波信号探测器（MSE）等组成wifi网络感应器节点，以此完成传感器系统自供电或者动能独立。

连接点感应器功能损耗可以通过组件及数据传输速率与传输模式获得立即调整与优化方案，即热－电能量收集器可以实现部分响应式调节系统，当集成能耗低于能耗管理功能要求时，对集中供电模式进行自主改善调整，从而满足用电单元或监测模块对电能的使用要求，使得模块实现部分无源运行，装置更易于监测管理。

三、5G通信网络在军事领域的应用

（一）未来战场信息保障体系转型

5G移动通信网络相比4G具有更快的传输速率和更强的稳定性，可以满足军事领域对未来作战指挥中网络通信的需求。国内运营商的5G通信网络如能覆盖全球，将拥有与美国“星链”相同甚至更强大的服务系统。正式运行后，所有军事移动终端不仅可以连接战术通信网络，还可直接通过5G通信技术对数据进行加密传输，为军事指挥系统提供“广覆盖、高速、强兼容性”的一体化网络通信服务，进一步提高战场信息传输效率。

（二）由“精确化”向“智能化”方向转型

目前，我国军事活动正逐步向智能化方向转变。指挥控制平台、空海作战平台、精确制导弹药等将从“精确化”向“智能化”方向转型。5G通信网络在信息传输速度和信号稳定性方面有了新的突破，可以更好地满足未来战场作战网络通信要求。在军事活动中，5G通信技术可以实现目标更快速的识别、更精准的定位、远程侦察预警数据实时回传、更快的信息数据更新速率、更大容量信道可传输个人或基层指挥员的相关信息，完成及时准确的指挥网络综合战场控制。目前，5G通信技术在我国军事领域的应用主要有三种，一种是直接应用，主要使用直接采购的无线AP移动设备应用于军事领域；二是增加保密模块，主要加密军事活动中的无线网络通信数据流；三是应用于军事无线通信设备的研发，促进我国军事领域无线通信设备性能的提高。笔者认为，我国5G军事领域应用可按照两手抓方针，既要继续加强地面信息化基础设施建设，又要汲取仿美国“星链”网络传输构思，利用5G通信网络系统标准化，促进地面移动通信系统与卫星通信系统的紧密联系，进一步推进新一代开放空间一体化通信网络建设和军民共享通信系统建设。

（三）5G采用新的网络架构，促进战场移动网络的深度整合

目前，基于特殊硬件的战场移动通信基础设施平台、网络硬件、软件的紧耦合，导致设备复杂性高、资源配置能力弱、缺乏灵活性和协同性。5G基于软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）技术建设新型网络基础设施，使5G网络成为“柔性”网络，可以满足多样化的应用场景和通信需求。此外，5G实施异构网络资源切片统一控制，可有效加强战场信息通信网络的深度整合，支持战场平台互联和战场关键信息加密共享，将深刻改变未来联合作战模式，提高感知、决策、战斗、保障等资源的网络、服务、系统协作能力。

结束语

本文描述了3种完成5G生态体系及拓展物联网技术所常用元器件的技术特点，主要对RF MEMS开关进行分析。其不仅可以适用数据信息测量，并且在毫米波通信输出功率范围之内插损小，射频控制精度优异，这种参数特性对军事通信装备是非常适宜的。但RF MEMS元器件存在一些技术难点，如：受加工工艺限定，稳定性受材料及环境影响较大，性能不太理想；器件封装质量参差不齐是现阶段产品化运用瓶颈；驱动电压广泛较高（30-80V），大功率射频信号操作时易造成故障等。假如产品化可以稳定地开展，那这些性能优越、价格实惠、可靠性和性能稳定的RF MEMS通信部件将会在新一代军事通信领域运用中大放异彩。

参考文献

[1] 周鎏.超宽带射频前端声表面波滤波器的设计[D].上海：上海交通大学，2016.

[2] 刘众.北斗导航用2492 MHz 低损耗声表面波滤波器研制[D].南京：东南大学，2018.