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研究人員在實(shí)驗(yàn)中。

毫米波的特點(diǎn)在于其帶寬非常寬，但傳播距離很近，容易受遮擋。如何解決這兩個(gè)問(wèn)題是毫米波技術(shù)規(guī)?；逃玫年P(guān)鍵難點(diǎn)之一。研究人員基于所研制的CMOS毫米波芯片實(shí)現(xiàn)了大規(guī)?！凹上嗫仃嚒?，產(chǎn)品兼具低成本、低剖面、高集成和高性能的優(yōu)勢(shì)。

■本報(bào)記者 秦志偉 通訊員 唐瑭

毫米波頻段正成為寬帶衛(wèi)星通信、5G移動(dòng)通信發(fā)展的“黃金”頻段，但如何解決毫米波無(wú)線通信傳播距離受限問(wèn)題成為一大難題。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，大規(guī)模相控陣是解決這一難題的核心關(guān)鍵技術(shù)，但傳統(tǒng)毫米波相控陣因該類芯片成本高且難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)單片集成，又成為其大規(guī)模商業(yè)化的“絆腳石”?，F(xiàn)在，東南大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)攻關(guān)6年，踢開了這一“絆腳石”。

“我們探索出基于CMOS工藝和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)?！睎|南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、網(wǎng)絡(luò)通信與安全紫金山實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家尤肖虎告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

近日，這項(xiàng)研究成果入選了2020年度“中國(guó)高等學(xué)校十大科技進(jìn)展”。不久前，該成果還曾入選Light: Science & Applications與科學(xué)網(wǎng)評(píng)選出的“2020 中國(guó)光學(xué)領(lǐng)域十大社會(huì)影響力事件”，并被評(píng)價(jià)為“一腳踢開了毫米波通信技術(shù)商用的‘絆腳石’”。那么，這一成果是如何踢開“絆腳石”的？為此，《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者走進(jìn)尤肖虎團(tuán)隊(duì)一探究竟。

從CMOS工藝入手

盡管目前5G商用還處于起步階段，但隨著用戶不斷增加，網(wǎng)絡(luò)將會(huì)愈加擁堵，帶寬有限問(wèn)題亟待解決?！昂撩撞ǖ奶攸c(diǎn)在于其帶寬非常寬，但傳播距離很近，容易受遮擋?！庇刃せ⒈硎?，如何解決這兩個(gè)問(wèn)題是毫米波技術(shù)能否規(guī)模化商用的關(guān)鍵難點(diǎn)之一。

為了解決傳播距離問(wèn)題，科學(xué)家使用天線陣列進(jìn)行波束成形，通過(guò)構(gòu)成的相控陣系統(tǒng)，將無(wú)線電能量集中起來(lái)以增加傳播距離。

然而，傳統(tǒng)的毫米波相控陣通?；诨衔锇雽?dǎo)體芯片加以實(shí)現(xiàn)，由于材料成本相對(duì)較高、工藝良率相對(duì)較低，極大地限制了其應(yīng)用范圍?！霸撓到y(tǒng)的應(yīng)用僅限于軍事等特殊領(lǐng)域?！庇刃せ⒏嬖V《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

在諸多半導(dǎo)體工藝中，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝的材料成本最低、制造良率最高、產(chǎn)能最大，而且是諸多半導(dǎo)體工藝中唯一符合摩爾定律的工藝。為此，研究團(tuán)隊(duì)從CMOS工藝入手。

據(jù)尤肖虎介紹，超過(guò)95%的手機(jī)等電子產(chǎn)品都是基于CMOS工藝。該工藝是一項(xiàng)最容易實(shí)現(xiàn)低成本且大規(guī)模量產(chǎn)的工藝，和過(guò)去所使用的化合物半導(dǎo)體工藝之間在成本上有著量級(jí)上的差別。

“將成本降低至原本的1/10”

但CMOS工藝本身也有缺點(diǎn)，“CMOS器件高頻性能差，受高低溫影響大。我們通過(guò)在器件版圖、電路和系統(tǒng)架構(gòu)上的創(chuàng)新，克服了CMOS器件的固有瓶頸，成功研制了用于5G毫米波和寬帶衛(wèi)星通信的CMOS毫米波相控陣芯片”。東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授趙滌燹告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

2020年年初，該團(tuán)隊(duì)集成1024通道天線單元的毫米波大規(guī)模有源天線陣列，在世界上首次較為徹底地解決了阻礙CMOS毫米波通信的芯片問(wèn)題，從芯片、模塊到天線陣面全面實(shí)現(xiàn)自主可控。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)使用多層混壓埋阻印制電路板（PCB）工藝，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了低成本、高性能4096通道集成相控陣。

趙滌燹表示，他們基于所研制的CMOS毫米波芯片實(shí)現(xiàn)了大規(guī)?！凹上嗫仃嚒?，產(chǎn)品兼具低成本、低剖面、高集成和高性能的優(yōu)勢(shì)。

“在基于低成本CMOS工藝和PCB工藝相控陣集成度上，一般來(lái)說(shuō)幾百甚至上千都是比較少見(jiàn)的，而我們目前能夠做到4096?！庇刃せ⑦M(jìn)一步解釋道。據(jù)了解，4096通道集成相控陣是目前國(guó)際上基于低成本CMOS工藝和PCB工藝所實(shí)現(xiàn)的集成度最高、規(guī)模最大的相控陣天線系統(tǒng)。

CMOS 毫米波大規(guī)模集成相控陣研制成功之后，“在相同工程量條件下，此項(xiàng)技術(shù)可以將成本降低至原本的1/10”。尤肖虎認(rèn)為，隨著此項(xiàng)技術(shù)的不斷成熟，未來(lái)相控陣工程成本還將進(jìn)一步降低，這也使得毫米波技術(shù)更容易推廣應(yīng)用。

逐步走向市場(chǎng)

據(jù)介紹，基于4096發(fā)射/4096接收超大規(guī)模集成相控陣，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)完成了毫米波相控陣衛(wèi)通終端，使用中星16高軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建立通信鏈路，并分別在車載、船載平臺(tái)測(cè)試了相控陣衛(wèi)通終端對(duì)同步軌道衛(wèi)星信號(hào)的捕獲及跟蹤能力，并在此基礎(chǔ)上測(cè)試了互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)功能?！靶l(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信速度達(dá)到目前4G地面網(wǎng)絡(luò)速度?！壁w滌燹說(shuō)。

當(dāng)前使用的5G主要是低頻段，即可用頻譜資源已日趨匱乏的Sub-6GHz?！邦A(yù)計(jì)5G毫米波將在2022年北京冬奧會(huì)前后迎來(lái)大的發(fā)展。”尤肖虎說(shuō)。

“未來(lái)，利用中低軌道衛(wèi)星，這項(xiàng)技術(shù)還可以應(yīng)用于手機(jī)等終端設(shè)備。”尤肖虎介紹，在地面時(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)通信的穩(wěn)定?！?CMOS毫米波大規(guī)模集成相控陣成果對(duì)于支撐我國(guó)移動(dòng)通信技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展意義重大?！?/p>

據(jù)悉，研究成果已在車載、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)?；瘧?yīng)用?！耙延?0多個(gè)廠家正圍繞著這項(xiàng)成果開發(fā)各自產(chǎn)品?？梢哉f(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室，逐步走向市場(chǎng)?！?/p>

隨著移動(dòng)通信向6G方向發(fā)展，尤肖虎團(tuán)隊(duì)也正考慮將該技術(shù)運(yùn)用到6G中。

“目前來(lái)看，CMOS毫米波大規(guī)模集成相控陣技術(shù)在200GHz~300GHz頻段上仍可以使用，那時(shí)會(huì)遇到更大的挑戰(zhàn)?！庇刃せ⒈硎?，目前需要做好基礎(chǔ)研究，當(dāng)出現(xiàn)毫米波技術(shù)重大需求時(shí)，“有完全自主可控的技術(shù)可用是我們的目標(biāo)和愿景”。