imec展示56Gb波束成形发射机 实现高功率零中频的D频段传输

于本周举行的国际电机电子工程师学会（IEEE）射频集成电路国际会议（RFIC Symposium）上，比利时微电子研究中心（imec）发表了一款基于CMOS技术的先进波束成形发射机，用来满足D频段的无线传输应用。该发射器具备优异的输出功率及能源效率，同时支持每通道56Gb/s的超高数据传输率。该组件也是比利时微电子研究中心（imec）研究人员目前正在开发的四路波束成形收发机芯片之核心构件。运用这项技术，他们希望可以协助部署新一代100GHz以上的高频短距无线传输服务。

imec先进CMOS波束成形发射机的示意图

新一代短距无线应用以实现每秒数百亿位（Gb/s）的超高传输率闻名，这些应用开创了机运无限的时代。不论是探索无线传输失效安全机制的数据中心、固定无线存取（FWA）网络的部署或是用来打造延展实境（XR）体验的无线热点，这些应用全都涵盖了100GHz~300GHz的次太赫兹（sub-THz）频段。

这些频段所提供的超高带宽只是其中一项关键性能。由于波长更短，这些频段还能缩小天线的尺寸，应用于构型更紧凑的存取点与手持装置。最后，超高的感测分辨率将在电竞、智慧建筑、工业5.0等未来应用带来宝贵的价值，通讯与感测（即通感）功能将在这些应用交织并用。

imec研究计划主持人Joris Van Driessche解释：「但是当进入100GHz以上的高频领域，CMOS技术遇到各种问题。第一项挑战是达到一定的输出功率，以克服这些高频段具备较高路径损失的问题。另外，宽带电路的设计也是难上加难，不仅要具备良好的动态范围，还要把功耗控制在合理范围。这些挑战都是我们采用CMOS技术来创新开发D频段波束成形发射机的核心重点。」

高传输率、低功耗的D波段CMOS波束成形发射机

imec所研发的发射机是一款四路波束成形收发机的组件，并以120GHz~145GHz的频率运行。该组件采用22奈米全空乏型绝缘层上硅（FD-SOI）制程，每个发射通道的占用面积仅有1.17x0.3mm2且功耗为232mW。在imec设定的操作状态下，该组件的输出功率在进行16QAM调变后达到3dBm，经过64QAM调变后则为2dBm，这与其他D频段CMOS收发机相比，其发射功率的表现特别出色。

这款发射机在本地振荡器（LO）电路设置波束成形功能，以控制具备高增益的窄波束朝向特定的方向传输，另结合零中频（IF）的收发机结构，藉此减少讯号路径上的组件数量。因此，讯号路径的动态范围可以避免损耗，并实现较广的射频频宽。此外，imec采用的设计具备宽带的模拟基频，这包含了高达14GHz的通道带宽，所以能在超大的频率范围内达到每信道56Gb/s的超高数据传输率。

imec研究计划主持人Joris Van Driessche表示：「我们的芯片还有另一个特点，那就是完整性。与其他的竞争方案不同，我们的收发机成功在四路通道上无缝整合了用于波束成形的本地振荡器（LO）与完整的模拟基频，并提供完整的射频讯号链和波束成形性能。据我们所知，这是重大的领先创举。」

广邀研发伙伴来探索技术潜能

Van Driessche总结：「我们在IEEE射频集成电路国际会议（RFIC Symposium）上发表的论文着重于展现我们利用这款全新开发的波束成形发射机所实现的研究成果。但在这之后，imec的这项研究便开始带头开发一款完整的四路波束成形收发机芯片，目前正在进行进一步的特性分析。透过这款芯片，我们希望能建立一套D频段无线系统，未来将能提供研究伙伴用来进行实验，包含波束成形技术、通感组合（joint communication and sensing）应用等，同时证实了CMOS技术确实可用于新一代100GHz以上的高频短距无线传输。」