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5G通讯关键之“毫米波收发机芯片如何实现”

导读: 商用的毫米波收发机芯片会使用CMOS(CMOS=complementary metal-oxide-semiconductor,指用半导体-氧化层-金属堆叠形成半导体器件的工艺,是最常用的集成电路制造工艺)工艺,这一方面为了能够和数字模块集成,另一方面为了节省成本。

5G通讯关键之“毫米波收发机芯片如何实现”

NICT研发的毫米波收发机架构图

  商用的毫米波收发机芯片会使用CMOS(CMOS=complementary metal-oxide-semiconductor,指用半导体-氧化层-金属堆叠形成半导体器件的工艺,是最常用的集成电路制造工艺)工艺,这一方面为了能够和数字模块集成,另一方面为了节省成本。

  毫米波收发机芯片的结构和传统频段收发机很相似,但是毫米波收发机有着独特的设计挑战。

  其一是如何控制功耗。毫米波收发机要求CMOS器件能工作在毫米波频段,所以要求CMOS器件对信号的灵敏度很高。我们可以参照日常生活中的水龙头来说明这个问题。

  大家一定都经常有开关水龙头的经验,很多水龙头在关着时,需要拧很多下才会出来一点点水,然后随着水流越来越大,只要多拧一点点水流就会变大很多。在这里,手拧龙头的动作就是激励信号,而对应的水流变化就是输出响应。CMOS器件本质上和水龙头很像,都是通过控制端(即CMOS的栅极)调整输出流量(对水龙头是水流,对CMOS则是输出电流)。

  因此,如果需要CMOS器件对微弱的毫米波信号能快速响应,必须把它的直流电流调到很大(相当于把水龙头设置在水流很大的状态)。这样一来,CMOS电路就需要很大的功耗才能处理毫米波信号。

5G通讯关键之“毫米波收发机芯片如何实现”

  另一个毫米波芯片必须考虑的问题是传输线效应。

  相信大家还记得高中物理里面的受力分析,(下图左)分析一根静止绳子的受力情况(静力分析)是很简单的,绳子的弹力即等于人对绳子的拉力,而且每一点都相同,这样的问题在高中物理考试里面属于送分题。但如果不是静止地拉绳子,而是用手挥动绳子呢(下图右)?这时在绳子上产生了一列机械波,每一点的受力情况都不相同,而且受力的变化不仅取决于手挥动绳子手的施力还取决于绳子的材质(决定了波长)。这时候分析受力就比较困难,属于高中物理竞赛级别的题目。

5G通讯关键之“毫米波收发机芯片如何实现”

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