传统的毫米波相控阵常日基于化合物半导体芯片加以实现，由于制作本钱高昂, 极大地限定了其运用范围。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，打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办理方案，具有超高集成度、超低本钱等特点。
近期，2020年度“中国高档学校十大科技进展”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间隔
毫米波，一样平常指频率在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比较，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，这相称于在高速公路的车道被拓宽了好几倍，以是能承载的信息传输量更大。但毫米波的一大瓶颈便是波是非，更随意马虎被大气、水接管，也随意马虎被建筑物遮挡，以是传播间隔短。能否办理这个问题，是决定毫米波能否用于5G以及卫星通信的关键点之一。”尤肖虎先容，为破解这个难题，科研团队从两个技能方向攻坚克难。
大规模的相控阵便是办理毫米波无线传播间隔受限的核心关键技能。相控阵是一个电磁波吸收发射系统，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。
尤肖虎阐明：“一样平常来说，电波是呈球面状传播的，以是旗子暗记传输能量相对分散。而利用相控阵，可以让旗子暗记沿着某个方向集中传播，将能量集中在相对统一的方向上，从而延长传播间隔，就像手电筒一样对准目标精确覆盖，传输间隔就可以从几米、几十米，延长至3万公里乃至更远，能用于移动通信以及更远间隔的卫星移动通信。”
同时科研团队还努力考试测验办理旗子暗记辐射遮挡问题，“例如，可以支配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，既办理了传输间隔的问题，又办理了旗子暗记遮挡问题，同时能够实现大流量传输。”尤肖虎说。
奥妙设计破解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。尤肖虎先容，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是行业内运用最广泛的工艺，大部分的手机和电子产品，都是基于CMOS工艺加工的，这也是最随意马虎做到低本钱、高集成和大规模量产的工艺。
“但这种工艺模式，在旗子暗记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。怎么通过奥妙的设计，破解这些难题，是不小的寻衅。”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，奥妙地利用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，从而破解了这些技能难题。
此外，研发团队还通过利用高密度混压多层电路板技能，形成了一个性能稳定的相控阵系统，占领了毫米波相控阵大批量生产所面临的技能同等性问题。为了实现大规模批量制造、工艺状态稳定掌握、自动化监测与考验、产品良率提升, 同时为相控阵产品大规模批量化生产供应保障, 研发团队提出了标准化可拼接技能，将小规模的相控阵子阵灵巧地拼接为用户所须要的大规模相控阵。
终极，项目组经由长达6年的技能探索与创新，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能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运用
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，正在逐步实现家当化。尤肖虎先容，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运用了，30多个厂家环绕这项技能在开拓各自的产品，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领域得到规模性运用。
“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，如果开车到非常偏远的地区，这个地区没有移动通信旗子暗记，就可以通过车载毫米波终端吸收卫星旗子暗记，再将吸收的旗子暗记转成WiFi。”尤肖虎畅想，未来还可以将这项技能直接应用得手机中，与低轨卫星互联互通，在地面移动通信系统有旗子暗记时，手机可以吸收地面旗子暗记，而当地面旗子暗记弱时，手机可以自动吸收卫星旗子暗记，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，或许还须要5—10年乃至更久的韶光。
目前触手可及的5G，间隔毫米波时期已经不远了。尤肖虎先容，目前我们利用的5G频段属于频率较低的厘米波频段，估量中国将在2022年北京冬奥会之后，进入5G毫米波时期。届时，移动通信基站将增加毫米波无线技能，集成相控阵技能将大有可为，用户可以在城市的各个角落吸收毫米波旗子暗记，像在利用5G低频段时一样“不掉线”畅快上网。（ 金 凤）
来源：科技日报
