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集成|大规模集成相控阵 解决毫米波传播距离短难题

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毫米波频段因带宽资源丰富 ， 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” 。 但毫米波的无线传输距离短 ， 是制约其应用的短板 。 而集成相控阵则是解决毫米波无线通信传播距离受限的关键技术之一 。
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 。 6年来 ， 东南大学移动通信国家重点实验室教授尤肖虎、赵涤燹等学者 ， 联合网络通信与安全紫金山实验室以及天锐星通科技有限公司持续攻关 ， 突破了互补金属氧化物半导体（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 。
近期 ， 2020年度“中国高等学校十大科技进展”揭晓 ， “CMOS毫米波芯片与大规模集成相控阵”研究项目入选 。
用相控阵可延长毫米波传输距离
毫米波 ， 一般指频率在30GHz到300GHz这段范围内的无线电频谱 ， 跟传统的移动通信无线频谱相比 ， 频率要高得多 。 毫米波的波长在1毫米到10毫米之间 ， 这也是“毫米波”名称的由来 。
“毫米波的带宽非常宽 ， 这相当于在高速公路的车道被拓宽了好几倍 ， 所以能承载的信息传输量更大 。 但毫米波的一大瓶颈就是波长短 ， 更容易被大气、水吸收 ， 也容易被建筑物遮挡 ， 所以传播距离短 。 能否解决这个问题 ， 是决定毫米波能否用于5G以及卫星通信的关键点之一 。 ”尤肖虎介绍 ， 为破解这个难题 ， 科研团队从两个技术方向攻坚克难 。
大规模的相控阵便是解决毫米波无线传播距离受限的核心关键技术 。 相控阵是一个电磁波接收发射系统 ， 电磁波的频率越高、波长越短 ， 其天线单元也就越小 ， 在同样的面积下就可以容纳更多的天线 。 天线一多 ， 密密麻麻地排成一个方阵 ， 就组成了天线阵列 。
【集成|大规模集成相控阵 解决毫米波传播距离短难题】尤肖虎解释：“一般来说 ， 电波是呈球面状传播的 ， 所以信号传输能量相对分散 。 而使用相控阵 ， 可以让信号沿着某个方向集中传播 ， 将能量集中在相对统一的方向上 ， 从而延长传播距离 ， 就像手电筒一样对准目标精确覆盖 ， 传输距离就可以从几米、几十米 ， 延长至3万公里甚至更远 ， 能用于移动通信以及更远距离的卫星移动通信 。 ”
同时科研团队还努力尝试解决信号辐射遮挡问题 ， “例如 ， 可以部署多个分布式的毫米波相控阵基站前端 ， 这样在任意位置 ， 都至少会有一个毫米波基站前端能与用户手机连接 ， 既解决了传输距离的问题 ， 又解决了信号遮挡问题 ， 同时能够实现大流量传输 。 ”尤肖虎说 。
巧妙设计破解CMOS工艺难题
半导体的生产工艺颇多 ， 包括锗硅工艺、化合物半导体工艺和CMOS工艺 。 尤肖虎介绍 ， 在行业发展早期 ， 相控阵都是用化合物半导体材料去做 ， 但最近5年 ， 业界开始重点关注基于CMOS工艺生产的毫米波集成电路 。 CMOS是行业内应用最广泛的工艺 ， 大部分的手机和电子产品 ， 都是基于CMOS工艺加工的 ， 这也是最容易做到低成本、高集成和大规模量产的工艺 。
“但这种工艺模式 ， 在信号传输频率比较高的时候 ， 会有一些负面特性 ， 例如对温度会比较敏感 ， 噪声系数相对较高 ， 很难将发射功率提到非常高 。 怎么通过巧妙的设计 ， 破解这些难题 ， 是不小的挑战 。 ”尤肖虎举了个例子 ， 研究团队设计了一系列新型构架的电路 ， 巧妙地利用CMOS晶体管各个电极的固有特性 ， 在减小功耗并提升增益的同时不引入额外噪声 ， 从而破解了这些技术难题 。
此外 ， 研发团队还通过运用高密度混压多层电路板技术 ， 形成了一个性能稳定的相控阵系统 ， 攻克了毫米波相控阵大批量生产所面临的技术一致性问题 。 为了实现大规模批量制造、工艺状态稳定控制、自动化监测与检验、产品良率提升, 同时为相控阵产品大规模批量化生产提供保障, 研发团队提出了标准化可拼接技术 ， 将小规模的相控阵子阵灵活地拼接为用户所需要的大规模相控阵 。
最终 ， 项目组经过长达6年的技术探索与创新 ， 研发成功4096通道收发集成相控阵 ， 这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等关键技术指标遥遥领先于国际同类研究 。 同时 ， 芯片的噪声系数仅为3dB ， 发射通道效率达到15% ， 无需校准便可实现精确幅相调控 。
成果已实现规模性推广应用
日臻成熟的CMOS毫米波芯片与大规模集成相控阵 ， 目前已经走出实验室 ， 正在逐步实现产业化 。 尤肖虎介绍 ， 目前 ， CMOS毫米波芯片与大规模集成相控阵已经在规模性的推广应用了 ， 30多个厂家围绕这项技术在开发各自的产品 ， 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 。
“现在毫米波终端已经可以装在汽车、轮船、无人机上 ， 实现与卫星的通信 ， 假如开车到非常偏远的地区 ， 这个地区没有移动通信信号 ， 就可以通过车载毫米波终端接收卫星信号 ， 再将接收的信号转成WiFi 。 ”尤肖虎畅想 ， 未来还可以将这项技术直接应用到手机中 ， 与低轨卫星互联互通 ， 在地面移动通信系统有信号时 ， 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 ， 确保移动通信随时随地稳定畅联 。 不过 ， 他坦言 ， 想实现这一愿景 ， 或许还需要5—10年甚至更久的时间 。
目前触手可及的5G ， 距离毫米波时代已经不远了 。 尤肖虎介绍 ， 目前我们使用的5G频段属于频率较低的厘米波频段 ， 预计中国将在2022年北京冬奥会之后 ， 进入5G毫米波时代 。 届时 ， 移动通信基站将增加毫米波无线技术 ， 集成相控阵技术将大有可为 ， 用户可以在城市的各个角落接收毫米波信号 ， 像在使用5G低频段时一样“不掉线”畅快上网 。

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