【光电通信】东南大学研究成果助力“5G毫米波时代”

2020年度“中国高等学校十大科技进展”近日揭晓。东南大学尤肖虎教授领衔的“CMOS 毫米波芯片与大规模集成相控阵”研究项目入选。项目完成单位包括东南大学、网络通信与安全紫金山实验室和天锐星通科技有限公司。

由球面传播到直线传播

什么是毫米波？尤肖虎解释，每一代移动通信的频率都在不断升高，到了第五代移动通信，波长则到了毫米这个量级。毫米波的特点是高频段，带宽高，可承载的流量大。

“目前5G还在起步阶段，就像4G一样，刚开始网速较快，后来越来越慢，其中一个主要原因是用户多了，网络拥塞了，实际上是带宽不够用了。所以下一步5G朝更高频段是早晚的事情，是大的趋势。”尤肖虎说，但毫米波的缺点是传播距离很近，怎么解决这个问题，就变成毫米波能否用于5G以及卫星通信的最关键技术之一。相控阵提供了解决的办法。

“过去的电波都是按照球面状来传播，相控阵则是以一条直线来传播，这样能量集中在某一个方向上，传输距离不再是几米几十米，我们用于卫星通信还可以传到3万多公里。”尤肖虎说，相控阵就是为了解决电波朝某个方向集中传播、能够让传播距离越走越远，这样毫米波在高频段用于移动通信以及卫星通信变成可能。

新技术可将成本降到十分之一

传统的相控阵都用化合物和半导体材料去做，由于制作成本高昂， 极大地限制了其应用范围。尤肖虎教授、赵涤燹教授等人组成的联合研究团队经过多年探索，突破了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解决方案，具有超高集成度、超低成本等特点。

尤肖虎介绍，现在手机和电子产品95%以上都是基于CMOS工艺，是最普及的工艺，也是最容易做到低成本和大规模量产的工艺。这种工艺比较难的地方是：做到频率比较高的时候，有一些负面的特性。尤肖虎团队考虑的就是把这些负面特性解决掉，才能使得最便宜最常见的工艺用于毫米波。“这项技术研究成功后，可以大幅降低成本。比如过去的相控阵，制造成本可能是几十万，应用新技术降低到原来的十分之一，是完全可以的。随着技术的成熟，还可以做到更便宜，甚至到白菜价，使得毫米波技术更便于推广应用”。

中国将进入5G毫米波时代

据了解，该项成果已在车载、船载和无人机宽带卫星移动通信和毫米波 5G 领域得到规模性应用，曾入选《Light：Science & Applications》与科学网评选出的“2020中国光学领域十大社会影响力事件”。相关技术创新成果发表于 IEEE JSSC，TMTT，TCAS I 等著名国际期刊，并作为封面论文发表于《中国科学：信息科学》2021年第3期；已申请国家发明专利15项。大概有30多个厂家围绕着这项技术在开发各种产品。

“5G目前在厘米频段，但预计到冬奥会之后，中国将进入5G毫米波时代。这个时候，我们的手机、基站将会成毫米波的频段。这样相控阵技术就大有可为了。”尤肖虎表示，随着移动通信朝6G发展，他们在考虑把现有技术用到6G领域，预计6G频段更高，这项技术在200-300GHZ频段上仍然可以用，但是遇到的挑战会更大。

尤肖虎说，东大移动通信国家重点实验室和紫金山实验室希望在涉及未来移动通信长远发展的基础方面做一些长久的研究，把基础扎牢，使得国家出现重大需求时，有自主可控的技术可以使用。