毫米波頻段因帶寬資源豐富，正逐步成為寬帶衛星通信、5G乃至未來6G移動通信發展的“黃金頻段”。但毫米波的無線傳輸距離短，是制約其應用的短板。而集成相控陣則是解決毫米波無線通信傳播距離受限的關鍵技術之一。
傳統的毫米波相控陣通常基于化合物半導體芯片加以實現，由于制作成本高昂， 極大地限制了其應用范圍。6年來，東南大學移動通信國家重點實驗室教授尤肖虎、趙滌燹等學者，聯合網絡通信與安全紫金山實驗室以及天銳星通科技有限公司持續攻關，突破了互補金屬氧化物半導體（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工藝的大規模集成相控陣解決方案，具有超高集成度、超低成本等特點。
近期，2020年度“中國高等學校十大科技進展”揭曉，“CMOS毫米波芯片與大規模集成相控陣”研究項目入選。
用相控陣可延長毫米波傳輸距離
毫米波，一般指頻率在30GHz到300GHz這段范圍內的無線電頻譜，跟傳統的移動通信無線頻譜相比，頻率要高得多。毫米波的波長在1毫米到10毫米之間，這也是“毫米波”名稱的由來。
“毫米波的帶寬非常寬，這相當于在高速公路的車道被拓寬了好幾倍，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。能否解決這個問題，是決定毫米波能否用于5G以及衛星通信的關鍵點之一。”尤肖虎介紹，為破解這個難題，科研團隊從兩個技術方向攻堅克難。
大規模的相控陣便是解決毫米波無線傳播距離受限的核心關鍵技術。相控陣是一個電磁波接收發射系統，電磁波的頻率越高、波長越短，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方陣，就組成了天線陣列。
尤肖虎解釋：“一般來說，電波是呈球面狀傳播的，所以信號傳輸能量相對分散。而使用相控陣，可以讓信號沿著某個方向集中傳播，將能量集中在相對統一的方向上，從而延長傳播距離，就像手電筒一樣對準目標精確覆蓋，傳輸距離就可以從幾米、幾十米，延長至3萬公里甚至更遠，能用于移動通信以及更遠距離的衛星移動通信。”
同時科研團隊還努力嘗試解決信號輻射遮擋問題，“例如，可以部署多個分布式的毫米波相控陣基站前端，這樣在任意位置，都至少會有一個毫米波基站前端能與用戶手機連接，既解決了傳輸距離的問題，又解決了信號遮擋問題，同時能夠實現大流量傳輸。”尤肖虎說。
巧妙設計破解CMOS工藝難題
半導體的生產工藝頗多，包括鍺硅工藝、化合物半導體工藝和CMOS工藝。尤肖虎介紹，在行業發展早期，相控陣都是用化合物半導體材料去做，但最近5年，業界開始重點關注基于CMOS工藝生產的毫米波集成電路。CMOS是行業內應用最廣泛的工藝，大部分的手機和電子產品，都是基于CMOS工藝加工的，這也是最容易做到低成本、高集成和大規模量產的工藝。
“但這種工藝模式，在信號傳輸頻率比較高的時候，會有一些負面特性，例如對溫度會比較敏感，噪聲系數相對較高，很難將發射功率提到非常高。怎么通過巧妙的設計，破解這些難題，是不小的挑戰。”尤肖虎舉了個例子，研究團隊設計了一系列新型構架的電路，巧妙地利用CMOS晶體管各個電極的固有特性，在減小功耗并提升增益的同時不引入額外噪聲，從而破解了這些技術難題。
此外，研發團隊還通過運用高密度混壓多層電路板技術，形成了一個性能穩定的相控陣系統，攻克了毫米波相控陣大批量生產所面臨的技術一致性問題。為了實現大規模批量制造、工藝狀態穩定控制、自動化監測與檢驗、產品良率提升， 同時為相控陣產品大規模批量化生產提供保障， 研發團隊提出了標準化可拼接技術，將小規模的相控陣子陣靈活地拼接為用戶所需要的大規模相控陣。
最終，項目組經過長達6年的技術探索與創新，研發成功4096通道收發集成相控陣，這是目前國際上集成度最高、規模最大的CMOS毫米波集成相控陣，其等效全向輻射功率等關鍵技術指標遙遙領先于國際同類研究。同時，芯片的噪聲系數僅為3dB，發射通道效率達到15%，無需校準便可實現精確幅相調控。
成果已實現規模性推廣應用
日臻成熟的CMOS毫米波芯片與大規模集成相控陣，目前已經走出實驗室，正在逐步實現產業化。尤肖虎介紹，目前，CMOS毫米波芯片與大規模集成相控陣已經在規模性的推廣應用了，30多個廠家圍繞這項技術在開發各自的產品，成果已在車載、船載和無人機寬帶衛星移動通信和毫米波5G領域得到規模性應用。
“現在毫米波終端已經可以裝在汽車、輪船、無人機上，實現與衛星的通信，假如開車到非常偏遠的地區，這個地區沒有移動通信信號，就可以通過車載毫米波終端接收衛星信號，再將接收的信號轉成WiFi。”尤肖虎暢想，未來還可以將這項技術直接應用到手機中，與低軌衛星互聯互通，在地面移動通信系統有信號時，手機可以接收地面信號，而當地面信號弱時，手機可以自動接收衛星信號，確保移動通信隨時隨地穩定暢聯。不過，他坦言，想實現這一愿景，或許還需要5—10年甚至更久的時間。
目前觸手可及的5G，距離毫米波時代已經不遠了。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，預計中國將在2022年北京冬奧會之后，進入5G毫米波時代。屆時，移動通信基站將增加毫米波無線技術，集成相控陣技術將大有可為，用戶可以在城市的各個角落接收毫米波信號，像在使用5G低頻段時一樣“不掉線”暢快上網。
（來源：科技日報 金鳳）