毫米波頻段因帶寬資源豐富，正逐步成為寬帶衛(wèi)星通信、5G乃至未來(lái)6G移動(dòng)通信發(fā)展的“黃金頻段”。但毫米波的無(wú)線傳輸距離短，是制約其應(yīng)用的短板。而集成相控陣則是解決毫米波無(wú)線通信傳播距離受限的關(guān)鍵技術(shù)之一。
傳統(tǒng)的毫米波相控陣通常基于化合物半導(dǎo)體芯片加以實(shí)現(xiàn)，由于制作成本高昂, 極大地限制了其應(yīng)用范圍。6年來(lái)，東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授尤肖虎、趙滌燹等學(xué)者，聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信與安全紫金山實(shí)驗(yàn)室以及天銳星通科技有限公司持續(xù)攻關(guān)，突破了互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）器件固有瓶頸，成功研制出Ka頻段毫米波CMOS相控陣芯片，并探索出基于高密度混壓PCB工藝的大規(guī)模集成相控陣解決方案，具有超高集成度、超低成本等特點(diǎn)。
近期，2020年度“中國(guó)高等學(xué)校十大科技進(jìn)展”揭曉，“CMOS毫米波芯片與大規(guī)模集成相控陣”研究項(xiàng)目入選。
用相控陣可延長(zhǎng)毫米波傳輸距離
毫米波，一般指頻率在30GHz到300GHz這段范圍內(nèi)的無(wú)線電頻譜，跟傳統(tǒng)的移動(dòng)通信無(wú)線頻譜相比，頻率要高得多。毫米波的波長(zhǎng)在1毫米到10毫米之間，這也是“毫米波”名稱的由來(lái)。
“毫米波的帶寬非常寬，這相當(dāng)于在高速公路的車(chē)道被拓寬了好幾倍，所以能承載的信息傳輸量更大。但毫米波的一大瓶頸就是波長(zhǎng)短，更容易被大氣、水吸收，也容易被建筑物遮擋，所以傳播距離短。能否解決這個(gè)問(wèn)題，是決定毫米波能否用于5G以及衛(wèi)星通信的關(guān)鍵點(diǎn)之一。”尤肖虎介紹，為破解這個(gè)難題，科研團(tuán)隊(duì)從兩個(gè)技術(shù)方向攻堅(jiān)克難。
大規(guī)模的相控陣便是解決毫米波無(wú)線傳播距離受限的核心關(guān)鍵技術(shù)。相控陣是一個(gè)電磁波接收發(fā)射系統(tǒng)，電磁波的頻率越高、波長(zhǎng)越短，其天線單元也就越小，在同樣的面積下就可以容納更多的天線。天線一多，密密麻麻地排成一個(gè)方陣，就組成了天線陣列。
尤肖虎解釋：“一般來(lái)說(shuō)，電波是呈球面狀傳播的，所以信號(hào)傳輸能量相對(duì)分散。而使用相控陣，可以讓信號(hào)沿著某個(gè)方向集中傳播，將能量集中在相對(duì)統(tǒng)一的方向上，從而延長(zhǎng)傳播距離，就像手電筒一樣對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)精確覆蓋，傳輸距離就可以從幾米、幾十米，延長(zhǎng)至3萬(wàn)公里甚至更遠(yuǎn)，能用于移動(dòng)通信以及更遠(yuǎn)距離的衛(wèi)星移動(dòng)通信。”
同時(shí)科研團(tuán)隊(duì)還努力嘗試解決信號(hào)輻射遮擋問(wèn)題，“例如，可以部署多個(gè)分布式的毫米波相控陣基站前端，這樣在任意位置，都至少會(huì)有一個(gè)毫米波基站前端能與用戶手機(jī)連接，既解決了傳輸距離的問(wèn)題，又解決了信號(hào)遮擋問(wèn)題，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)大流量傳輸。”尤肖虎說(shuō)。
巧妙設(shè)計(jì)破解CMOS工藝難題
半導(dǎo)體的生產(chǎn)工藝頗多，包括鍺硅工藝、化合物半導(dǎo)體工藝和CMOS工藝。尤肖虎介紹，在行業(yè)發(fā)展早期，相控陣都是用化合物半導(dǎo)體材料去做，但最近5年，業(yè)界開(kāi)始重點(diǎn)關(guān)注基于CMOS工藝生產(chǎn)的毫米波集成電路。CMOS是行業(yè)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的工藝，大部分的手機(jī)和電子產(chǎn)品，都是基于CMOS工藝加工的，這也是最容易做到低成本、高集成和大規(guī)模量產(chǎn)的工藝。
“但這種工藝模式，在信號(hào)傳輸頻率比較高的時(shí)候，會(huì)有一些負(fù)面特性，例如對(duì)溫度會(huì)比較敏感，噪聲系數(shù)相對(duì)較高，很難將發(fā)射功率提到非常高。怎么通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)，破解這些難題，是不小的挑戰(zhàn)。”尤肖虎舉了個(gè)例子，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一系列新型構(gòu)架的電路，巧妙地利用CMOS晶體管各個(gè)電極的固有特性，在減小功耗并提升增益的同時(shí)不引入額外噪聲，從而破解了這些技術(shù)難題。
此外，研發(fā)團(tuán)隊(duì)還通過(guò)運(yùn)用高密度混壓多層電路板技術(shù)，形成了一個(gè)性能穩(wěn)定的相控陣系統(tǒng)，攻克了毫米波相控陣大批量生產(chǎn)所面臨的技術(shù)一致性問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模批量制造、工藝狀態(tài)穩(wěn)定控制、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與檢驗(yàn)、產(chǎn)品良率提升, 同時(shí)為相控陣產(chǎn)品大規(guī)模批量化生產(chǎn)提供保障, 研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出了標(biāo)準(zhǔn)化可拼接技術(shù)，將小規(guī)模的相控陣子陣靈活地拼接為用戶所需要的大規(guī)模相控陣。
最終，項(xiàng)目組經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)6年的技術(shù)探索與創(chuàng)新，研發(fā)成功4096通道收發(fā)集成相控陣，這是目前國(guó)際上集成度最高、規(guī)模最大的CMOS毫米波集成相控陣，其等效全向輻射功率等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)遙遙領(lǐng)先于國(guó)際同類研究。同時(shí)，芯片的噪聲系數(shù)僅為3dB，發(fā)射通道效率達(dá)到15%，無(wú)需校準(zhǔn)便可實(shí)現(xiàn)精確幅相調(diào)控。
成果已實(shí)現(xiàn)規(guī)模性推廣應(yīng)用
日臻成熟的CMOS毫米波芯片與大規(guī)模集成相控陣，目前已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室，正在逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。尤肖虎介紹，目前，CMOS毫米波芯片與大規(guī)模集成相控陣已經(jīng)在規(guī)模性的推廣應(yīng)用了，30多個(gè)廠家圍繞這項(xiàng)技術(shù)在開(kāi)發(fā)各自的產(chǎn)品，成果已在車(chē)載、船載和無(wú)人機(jī)寬帶衛(wèi)星移動(dòng)通信和毫米波5G領(lǐng)域得到規(guī)模性應(yīng)用。
“現(xiàn)在毫米波終端已經(jīng)可以裝在汽車(chē)、輪船、無(wú)人機(jī)上，實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星的通信，假如開(kāi)車(chē)到非常偏遠(yuǎn)的地區(qū)，這個(gè)地區(qū)沒(méi)有移動(dòng)通信信號(hào)，就可以通過(guò)車(chē)載毫米波終端接收衛(wèi)星信號(hào)，再將接收的信號(hào)轉(zhuǎn)成WiFi。”尤肖虎暢想，未來(lái)還可以將這項(xiàng)技術(shù)直接應(yīng)用到手機(jī)中，與低軌衛(wèi)星互聯(lián)互通，在地面移動(dòng)通信系統(tǒng)有信號(hào)時(shí)，手機(jī)可以接收地面信號(hào)，而當(dāng)?shù)孛嫘盘?hào)弱時(shí)，手機(jī)可以自動(dòng)接收衛(wèi)星信號(hào)，確保移動(dòng)通信隨時(shí)隨地穩(wěn)定暢聯(lián)。不過(guò)，他坦言，想實(shí)現(xiàn)這一愿景，或許還需要5—10年甚至更久的時(shí)間。
目前觸手可及的5G，距離毫米波時(shí)代已經(jīng)不遠(yuǎn)了。尤肖虎介紹，目前我們使用的5G頻段屬于頻率較低的厘米波頻段，預(yù)計(jì)中國(guó)將在2022年北京冬奧會(huì)之后，進(jìn)入5G毫米波時(shí)代。屆時(shí)，移動(dòng)通信基站將增加毫米波無(wú)線技術(shù)，集成相控陣技術(shù)將大有可為，用戶可以在城市的各個(gè)角落接收毫米波信號(hào)，像在使用5G低頻段時(shí)一樣“不掉線”暢快上網(wǎng)。
