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世界领先水平!新型集成相控阵突破毫米波通信距离受限瓶颈
2021/03/23 14:14  交汇点新闻  

  交汇点讯 毫米波频段以其带宽资源丰富的显著优势,正逐步成为宽带卫星通信、5G乃至未来6G移动通信发展的“黄金”频段。然而,如何解决毫米波无线通信传播距离受限问题是始终困扰科研界的一大难题。3月4日,由教育部科技委组织评选的2020年度“中国高等学校十大科技进展”揭晓。东南大学移动通信国家重点实验室主任、紫金山实验室首席科学家、副主任尤肖虎教授领衔的“CMOS 毫米波芯片与大规模集成相控阵”研究项目入选。近日,尤肖虎教授接受《科技周刊》记者采访,为我们揭秘这项重大技术突破。

  尽管目前5G商用还处于起步阶段,但可以预想在不久的将来,正如我们曾使用的4G通信一样,随着用户的不断增加,网络越来越拥堵,而这一切的“根源”在于——带宽有限。因此,发展更高频段的5G毫米波是大势所趋。“毫米波的特点在于其带宽非常宽,但传播距离很近,容易受遮挡。所以,如何解决这个问题是毫米波能否用于5G以及卫星通信的关键难点之一。”尤肖虎告诉《科技周刊》记者,想要解决这个问题,需要满足两个条件,首先是让毫米波无线通信距离传得更远。以前电波是按照球面状来传播,而利用相控阵则能使电波沿着一条直线传播。“能量集中在某一方向上,这样一来,传输距离就不单单是几十米,甚至可以传递到3万多公里之外。相控阵的奥秘实际上就是让电波能够朝着某一方向集中传播,从而延长传播距离,使得5G毫米波能够应用于移动通讯以及卫星通信。”

  此外,我们需要使毫米波无线通信尽可能不受阻挡,无线电波可以自由传播。尤肖虎举例说明,对于室内来说,如果可以在房间内部署多个毫米波基站的前端,房间里的每一个角落都有相应的毫米波前端可以与设备进行连接,这样问题就能得到有效解决。而想要达到这一点,研发新型集成相控阵技术迫在眉睫。

  传统的毫米波相控阵通常基于化合物半导体芯片加以实现,由于制作成本高昂, 极大地限制了其应用范围。尤肖虎教授、赵涤燹教授等人组成的联合研究团队经过6年多的探索,突破了CMOS器件固有瓶颈,成功研制出Ka频段毫米波CMOS相控阵芯片,并探索出基于高密度混压PCB工艺的大规模集成相控阵解决方案,具有超高集成度、超低成本等特点。“我们目前使用的手机等电子产品,超过95%都是基于CMOS工艺。在集成电路里,基于CMOS工艺是最常见,也是最容易做到低成本且大规模量产的一项工艺,它和我们以前所使用的化合物半导体工艺之间在成本上有着量级上的差别。”尤肖虎表示,CMOS 毫米波大规模集成相控阵研制成功之后,相同的工程量,此项技术可以将成本降低至原本的1/10。随着此项技术的不断成熟,未来相控阵工程成本还将进一步降低,这也使得毫米波技术更容易推广应用。

  据了解,以此技术为基础研制的4096通道收发集成相控阵是目前国际上集成度最高、规模最大的CMOS毫米波集成相控阵,其等效全向辐射功率(ERIP)等关键技术指标遥遥领先于国际同类研究。“在基于低成本CMOS工艺和PCB工艺相控阵集成度上,一般来说几百甚至上千都是比较少见的,而我们目前能够做到4096非常难得,也处于世界领先水平。”尤肖虎进一步解释,由于CMOS工艺本身固有的缺点,如对温度相对比较敏感、噪声系数相对较高等,很难提高其发射功率。为此,团队设计了一系列新型构建电路,同时在系统级进行创新,从而让毫米波信号可以合理分配给不同芯片,形成一个非常稳定的系统。

  据悉,目前我们使用的5G主要是低频段,即相对拥挤的Sub-6GHz,预计中国将在2022年北京冬奥会前后进入5G毫米波时代。届时,移动通信基站将采用毫米波平台,用户能像在使用5G低频段时一样“不掉线”畅快上网,而集成相控阵技术也将大有可为。“未来,利用中低轨道卫星,我们这项技术还可以应用于手机等终端设备。大胆畅想,在地面时,手机可以接收地面信号,而当地面信号弱时,手机可以自动接收卫星信号,确保移动通信的稳定。”尤肖虎介绍,CMOS毫米波大规模集成相控阵成果对于支撑我国移动通信技术与产业发展意义重大,这项技术突破曾入选《Light: Science & Applications》与科学网评选出的“2020 中国光学领域十大社会影响力事件”。目前,30多个厂家正围绕着这项成果开发各自产品,成果已在车载、船载和无人机宽带卫星移动通信和毫米波5G领域得到规模性应用,“可以说,这项技术已经走出实验室,逐步走向市场。”

  随着移动通信朝着6G方向发展,尤肖虎和团队也正考虑将现有技术运用到6G之中。尤肖虎表示:“目前来看,CMOS毫米波大规模集成相控阵技术在200GHz~300GHz频段上仍可以使用,只是那时可能遇到更大的挑战。这是一项长久的研究,我们需要把基础再扎牢一些,当国家出现毫米波相关重大需求时,我们有完全自主可控的技术可用是我们的目标和愿景。”

  新华日报·交汇点记者 谢诗涵

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