大规模集成相控阵解决了毫米波传播距离短的问题

毫米波频段因其丰富的带宽资源，正逐渐成为宽带卫星通信、5G乃至未来6G移动通信发展的“黄金频段”。然而，毫米波无线传输距离短是制约其应用的一个缺点。集成相控阵是解决毫米波无线通信传播距离有限的关键技术之一。

传统的毫米波相控阵通常基于化合物半导体芯片实现，但由于制造成本高，其应用范围受到很大限制。六年来，东南大学移动通信国家重点实验室游晓虎、赵迪勋等学者与紫金山网络通信与安全实验室、田瑞星通科技有限公司联手，持续攻关，突破互补金属氧化物半导体(CMOS)器件固有瓶颈，成功研发出Ka波段毫米波CMOS相控阵芯片，探索出一种基于高密度混合电压PCB工艺的大规模集成相控阵解决方案，具有超高集成度、超低成本的特点。

近日，2020年“中国高校十大科技进步”揭晓，“CMOS毫米波芯片与大规模集成相控阵”研究项目入选。

使用相控阵可以延长毫米波的传输距离

毫米波一般是指30GHz到300GHz范围内的射频频谱，远高于传统的移动通信射频频谱。毫米波的波长在1毫米到10毫米之间，这就是“毫米波”这个名字的由来。

“毫米波的带宽很宽，相当于把高速公路的车道拓宽了好几倍，可以承载更多的信息传输。但是毫米波的瓶颈之一是波长短，更容易被大气和水吸收，容易被建筑物遮挡，所以传播距离短。这个问题能否解决，是决定毫米波能否用于5G和卫星通信的关键点之一。”游晓虎介绍，为了解决这个问题，科研团队从两个技术方向着手解决困难。

大规模相控阵是解决毫米波无线传播距离受限问题的关键技术。相控阵是一种电磁波接收和发射系统。电磁波的频率越高，波长越短，其天线单元就越小，同一区域可以容纳更多的天线。天线一多，就排成方阵，形成天线阵。

游小虎解释说：“一般来说，无线电波是以球形传播的，所以信号传输能量相对分散。使用相控阵，信号可以集中在某个方向，能量可以集中在相对统一的方向，从而延长传播距离。就像手电筒一样，准确覆盖目标，传输距离可以从几米到几十米。可以扩展到3万公里甚至更远，可以用于更远距离的移动通信和卫星移动通信。”

同时，研究小组也试图解决信号辐射遮挡的问题。“比如可以部署多个分布式毫米波相控阵基站，使至少一个毫米波基站前端可以在任意位置与用户手机相连，既解决了传输距离问题，又解决了信号闭塞问题，同时可以实现大流量传输。”尤小虎说。

解决CMOS工艺问题的巧妙设计

半导体生产工艺有很多，包括锗硅工艺、化合物半导体工艺和CMOS工艺。游晓虎介绍，在行业发展初期，相控阵采用的是化合物半导体材料，但最近五年，行业开始以基于CMOS技术的毫米波集成电路为重点。CMOS是业界应用最广泛的技术，大多数手机和电子产品都是基于CMOS技术进行加工的，这也是最容易实现低成本、高集成度、大批量生产的技术。

“然而，当信号传输频率相对较高时，这种处理模式会具有一些负面特性，例如对温度敏感和相对较高的噪声系数，因此很难将传输功率提高到非常高的水平。如何通过巧妙的设计解决这些问题，是不小的挑战。”尤小虎举了个例子。研究小组设计了一系列新架构的电路，巧妙地利用了CMOS晶体管各电极的固有特性，在不引入额外噪声的情况下降低了功耗，提高了增益，从而解决了这些技术难题。

此外，R&D团队利用高密度混合电压多层电路板技术，形成了性能稳定的相控阵系统，克服了毫米波相控阵量产面临的技术一致性问题。为了实现大规模批量制造、过程状态稳定控制、自动监控和检测、提高产品成品率，同时为相控阵产品的大规模批量生产提供保障，R&D团队提出了标准化拼接技术，将小规模相控阵子阵灵活拼接成用户所需的大规模相控阵。

最后，经过6年的技术探索和创新，项目组成功研制出4096通道收发一体相控阵，是目前世界上集成度最高、规模最大的CMOS毫米波一体相控阵，其等效全向辐射功率等关键技术指标远远领先于国际同类研究。同时，芯片的噪声系数仅为3dB，传输通道效率达到15%，无需校准即可实现精确的幅度和相位控制。

该成果已大规模推广应用

日趋成熟的CMOS毫米波芯片和大规模集成相控阵已经走出实验室，正在逐步实现产业化。游晓虎介绍，目前CMOS毫米波芯片和大规模集成相控阵已经大规模推广应用。30多家厂商都在围绕这项技术开发自己的产品，成果已经在宽带卫星移动通信和车载、舰船、无人机毫米波5G领域大规模应用。

“现在毫米波终端可以安装在汽车、船只和无人机上，实现与卫星的通信。如果你开车到一个非常偏远的地区，这个地区没有移动通信信号，你可以通过车载毫米波终端接收卫星信号。然后把收到的信号转换成WiFi。”游小虎想象着，未来这项技术可以直接应用到手机上，与LEO卫星互联。当地面移动通信系统有信号时，手机可以接收地面信号，当地面信号较弱时，手机可以自动接收卫星信号，保证移动通信随时随地稳定流畅的通信。然而，他承认，实现这一愿景可能需要5-10年甚至更长时间。

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。