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毫米波頻段正成為寬帶衛星通信、5G移動通信發展的“黃金”頻段，但解決毫米波無線通信傳播距離受限成為難題。科學家發現，大規模相控陣是解決上述問題的核心關鍵技術，但傳統毫米波相控陣因該類芯片成本高且難以實現系統單片集成，又成為其大規模商業化的“絆腳石”。現在，東南大學研究團隊攻關6年多，踢開了這一“絆腳石”。
“我們探索出基于CMOS工藝和PCB工藝的大規模集成相控陣解決方案，具有超高集成度、超低成本等特點。”東南大學移動通信國家重點實驗室主任、網絡通訊與安全紫金山實驗室首席科學家尤肖虎告訴《中國科學報》。
近日，這項研究成果入選了2020年度“中國高等學校十大科技進展”。就在前不久，該成果還曾入選《Light: Science & Applications》與科學網評選出的“2020 中國光學領域十大社會影響力事件”，并被評價為“一腳踢開了毫米波通信技術商用的‘絆腳石’”。那么，這一成果如何踢開“絆腳石”的？為此，《中國科學報》記者走進尤肖虎團隊一探究竟。
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，網絡將會愈加擁堵，帶寬有限是解決問題的關鍵。“毫米波的特點在于其帶寬非常寬，但傳播距離很近，容易受遮擋。”尤肖虎表示，如何解決這兩個問題是毫米波技術能否規模化商用的關鍵難點之一。
為了解決傳播距離問題，科學家使用天線陣列進行波束成形，通過構成的相控陣系統，將無線電能量集中起來以增加傳播距離。
然而，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，由于材料成本相對較高、工藝良率相對較低，極大地限制了其應用范圍，“該系統的應用僅限于軍事等特殊領域”。尤肖虎告訴《中國科學報》。
在諸多半導體工藝中，CMOS（互補金屬氧化物半導體）工藝的材料成本最低、制造良率最高、產能最大，而且是諸多半導體工藝中唯一符合摩爾定律的工藝。為此，研究團隊從CMOS工藝入手。
據尤肖虎介紹，超過95%的手機等電子產品都是基于CMOS工藝，該工藝是一項最容易做到低成本且大規模量產的工藝，它和過去所使用的化合物半導體工藝之間在成本上有著量級上的差別。
“將成本降低至原本的1/10”
但CMOS工藝本身也有缺點，“CMOS器件高頻性能差，受高低溫影響大，我們通過在器件版圖、電路和系統架構上的創新，克服了CMOS器件的固有瓶頸，成功研制了用于5G毫米波和寬帶衛星通信的CMOS毫米波相控陣芯片”。東南大學移動通信國家重點實驗室教授趙滌燹告訴《中國科學報》。
2020年年初，該團隊集成1024通道天線單元的毫米波大規模有源天線陣列，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題，從芯片、模塊到天線陣面全面實現自主可控。在此基礎上，研究團隊使用多層混壓埋阻PCB（印制電路板）工藝，進一步實現了低成本、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毫米波芯片實現了大規模“集成相控陣”，產品兼具低成本、低剖面、高集成和高性能的優勢。
“在基于低成本CMOS工藝和PCB工藝相控陣集成度上，一般來說幾百甚至上千都是比較少見的，而我們目前能夠做到4096。”尤肖虎進一步解釋道。根據研究團隊了解，4096通道集成相控陣是目前國際上基于低成本CMOS工藝和PCB工藝所實現的集成度最高、規模最大的相控陣天線系統。
CMOS 毫米波大規模集成相控陣研制成功之后，“在相同工程量條件下，此項技術可以將成本降低至原本的1/10”。尤肖虎認為，隨著此項技術的不斷成熟，未來相控陣工程成本還將進一步降低，這也使得毫米波技術更容易推廣應用。
逐步走向市場
據介紹，基于4096發射/4096接收超大規模集成相控陣，研究團隊設計完成了毫米波相控陣衛通終端，使用中星16高軌衛星網絡建立通信鏈路，并分別在車載、船載平臺測試了相控陣衛通終端對同步軌道衛星信號的捕獲及跟蹤能力，并在此基礎上測試了互聯網訪問功能，“衛星網絡通信速度達到目前4G地面網絡速度”。趙滌燹說。
當前使用的5G主要是低頻段，即可用頻譜資源已日趨匱乏的Sub-6GHz，“預計5G毫米波將在2022年北京冬奧會前后迎來大的發展”。尤肖虎說。
“未來，利用中低軌道衛星，這項技術還可以應用于手機等終端設備。”尤肖虎介紹，在地面時，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，確保移動通信的穩定。“ CMOS毫米波大規模集成相控陣成果對于支撐我國移動通信技術與產業發展意義重大。”
據悉，研究成果已在車載、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。“已有30多個廠家正圍繞著這項成果開發各自產品，可以說，這項技術已經走出實驗室，逐步走向市場。”
隨著移動通信向6G方向發展，尤肖虎團隊也正考慮將技術運用到6G中。
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