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有关毫米波收发机芯片,,, [复制链接]

本帖最后由 qwqwqw2088 于 2019-6-3 10:36 编辑

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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工艺(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),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。


     说得专业一点,CMOS器件的工作原理是栅端电压控制源端到漏端的载流子,从而控制源漏端的电流。当加在栅端的信号发生变化的时候,源漏端的电流也会发生相应变化,因此就起到了信号放大的作用。
     然而,如果源端的载流子还来不及走到漏端时栅端的信号就发生了改变,那么栅端的信号就无法得到有效放大。通常把CMOS器件能工作的最高频率称为截止频率。那么如何提高截止频率呢?在器件工艺不变的前提下,改进截止频率的方法就是增加载流子速度,让它们能赶在栅端信号变化之前就到达漏端。这就意味着我们可以通过加强沟道电场,即提高栅-源电压来改善截止频率。
     然而,提高栅-漏电压也意味着CMOS器件的直流电流也变大。由于毫米波频段已经和CMOS器件的截止频率在同一个数量级上(~100 GHz),毫米波收发机芯片必须仔细设计才能把功耗控制在移动设备可以接受的范围内。
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      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。
360截图20190529204707844.jpg


      毫米波电路设计也会遇到类似的挑战。我们可以把电路中的导线类比成绳子,而把电路中的信号源类比为对绳施力的人。当信号变化的频率很慢的时候,就近似地等于静力分析,此时导线上每一点的信号都近似地等于信号源的信号。当信号变化很快时,由于信号的波长接近或小于导线的长度,我们必须仔细考虑导线上每一点的情况,而且导线的性质(特征阻抗)会极大地影响信号的传播。这种效应在电磁学中被称为“传输线效应”,在设计毫米波芯片时必须仔细考虑传输线效应才能确保芯片正常工作。
      传输线效应引入了许多传统电路设计中不用考虑的问题。例如,传输线有自己的特征阻抗,如果电路的输入阻抗和传输线的特征阻抗差别很大就会造成信号反射,使得信号无法有效地从一个模块传递到另一个模块。为了避免这种情况,必须在电路输入端做阻抗匹配来消除信号反射。另外,为了分析传输线效应,电路仿真时连线必须使用传输线模型。一方面,连线的传输线模型提取很费时间(一根简单的连线使用电磁仿真工具HFSS提取s-参数传输线模型往往需要一天以上的时间),另一方面传输线模型和晶体管电路联合仿真也很耗时而且需要有经验的人去调整仿真器参数才能保证结果正确。这就使得毫米波芯片的设计流程困难重重,需要大量的人力物力投入。


      不过,尽管设计充满挑战,毫米波芯片大规模商用化目前已现曙光。Broadcom已经推出了60GHz的收发机芯片(BCM20138),该产品主要针对60GHz频段的WiFi标准(802.11.ad),也可以看作是为5G毫米波芯片解决方案投石问路。Qualcomm也于两年前不甘落后收购了专注于毫米波技术的Wilocity。同时,三星,华为海思等重量级选手也在加紧研发毫米波芯片。相信在近期我们就会看到毫米波射频芯片市场变得热闹非凡。


360截图20190529204740271.jpg
Wilocity推出的60GHz芯片


      毫米波技术可以通过提升频谱带宽来实现超高速无线数据传播,从而成为5G通讯技术中的关键之一。毫米波芯片设计必须克服功耗和电磁设计两大难关,当这两个问题解决后大规模商用只是时间问题。


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学习了,谢谢分享


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