作者:秦志伟 唐瑭 来源:中国科学报 发布时间:2021/3/24 17:12:44
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被评为“2020中国光学领域十大社会影响力事件”,又入选2020年度“中国高等学校十大科技进展”
踢开毫米波技术商用“绊脚石”

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毫米波频段正成为宽带卫星通信、5G移动通信发展的“黄金”频段,但解决毫米波无线通信传播距离受限成为难题。科学家发现,大规模相控阵是解决上述问题的核心关键技术,但传统毫米波相控阵因该类芯片成本高且难以实现系统单片集成,又成为其大规模商业化的“绊脚石”。现在,东南大学研究团队攻关6年多,踢开了这一“绊脚石”。

“我们探索出基于CMOS工艺和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。”东南大学移动通信国家重点实验室主任、网络通讯与安全紫金山实验室首席科学家尤肖虎告诉《中国科学报》。

近日,这项研究成果入选了2020年度“中国高等学校十大科技进展”。就在前不久,该成果还曾入选《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”,并被评价为“一脚踢开了毫米波通信技术商用的‘绊脚石’”。那么,这一成果如何踢开“绊脚石”的?为此,《中国科学报》记者走进尤肖虎团队一探究竟。

从CMOS工艺入手

尽管目前5G商用还处于起步阶段,但随着用户不断增加,网络将会愈加拥堵,带宽有限是解决问题的关键。“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。”尤肖虎表示,如何解决这两个问题是毫米波技术能否规模化商用的关键难点之一。

为了解决传播距离问题,科学家使用天线阵列进行波束成形,通过构成的相控阵系统,将无线电能量集中起来以增加传播距离。

然而,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,由于材料成本相对较高、工艺良率相对较低,极大地限制了其应用范围,“该系统的应用仅限于军事等特殊领域”。尤肖虎告诉《中国科学报》。

在诸多半导体工艺中,CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺的材料成本最低、制造良率最高、产能最大,而且是诸多半导体工艺中唯一符合摩尔定律的工艺。为此,研究团队从CMOS工艺入手。

据尤肖虎介绍,超过95%的手机等电子产品都是基于CMOS工艺,该工艺是一项最容易做到低成本且大规模量产的工艺,它和过去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。

“将成本降低至原本的1/10”

但CMOS工艺本身也有缺点,“CMOS器件高频性能差,受高低温影响大,我们通过在器件版图、电路和系统架构上的创新,克服了CMOS器件的固有瓶颈,成功研制了用于5G毫米波和宽带卫星通信的CMOS毫米波相控阵芯片”。东南大学移动通信国家重点实验室教授赵涤燹告诉《中国科学报》。

2020年年初,该团队集成1024通道天线单元的毫米波大规模有源天线阵列,在世界上首次较为彻底地解决了阻碍CMOS毫米波通信的芯片问题,从芯片、模块到天线阵面全面实现自主可控。在此基础上,研究团队使用多层混压埋阻PCB(印制电路板)工艺,进一步实现了低成本、高性能4096通道集成相控阵。

赵涤燹表示,他们基于所研制的CMOS毫米波芯片实现了大规模“集成相控阵”,产品兼具低成本、低剖面、高集成和高性能的优势。

“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。”尤肖虎进一步解释道。根据研究团队了解,4096通道集成相控阵是目前国际上基于低成本CMOS工艺和PCB工艺所实现的集成度最高、规模最大的相控阵天线系统。

CMOS 毫米波大规模集成相控阵研制成功之后,“在相同工程量条件下,此项技术可以将成本降低至原本的1/10”。尤肖虎认为,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。

逐步走向市场

据介绍,基于4096发射/4096接收超大规模集成相控阵,研究团队设计完成了毫米波相控阵卫通终端,使用中星16高轨卫星网络建立通信链路,并分别在车载、船载平台测试了相控阵卫通终端对同步轨道卫星信号的捕获及跟踪能力,并在此基础上测试了互联网访问功能,“卫星网络通信速度达到目前4G地面网络速度”。赵涤燹说。

当前使用的5G主要是低频段,即可用频谱资源已日趋匮乏的Sub-6GHz,“预计5G毫米波将在2022年北京冬奥会前后迎来大的发展”。尤肖虎说。

“未来,利用中低轨道卫星,这项技术还可以应用于手机等终端设备。”尤肖虎介绍,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。“ 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。”

据悉,研究成果已在车载、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。“已有30多个厂家正围绕着这项成果开发各自产品,可以说,这项技术已经走出实验室,逐步走向市场。”

随着移动通信向6G方向发展,尤肖虎团队也正考虑将技术运用到6G中。

“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,那时会遇到更大的挑战。“尤肖虎表示,目前需要做好基础研究,当出现毫米波技术重大需求时,“有完全自主可控的技术可用是我们的目标和愿景”。

 
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