《东京工业大学和富士通实现世界上最快的无线传输速率:56 Gbps —在CMOS集成电路中实现的毫米波段无线装置》

  • 来源专题:可穿戴技术
  • 编译者: 高芳
  • 发布时间:2016-07-25
  • 2月1日,东京工业大学和富士通实验室有限公司宣布,为了进一步扩大无线设备的能力,他们已经开发出一种CMOS无线收发芯片,可以以很高速度和极小损失在72到100 GHz范围内传输信号。他们还开发了有关技术使之模块化。随着这些发展,他们成功地实现了世界上最快的无线传输速率——56 Gbps。

    近年来,为了应对智能手机及其他设备的广泛使用而产生的数据流量大量增加,基站开始使用光纤网络链接。但是,这种方法的一个问题是很难在难以安装光纤电缆的地区进一步拓展服务,例如城区和被河流山脉所包围的地区。为了解决这一问题,东京工业大学和富士通实验室研发出使用毫米波段(30-300 GHz)的高速无线收发技术,这一波段的无线应用竞争小并能够实现大容量通信。

    这项技术使得在光纤网络很难覆盖的室外安装大容量无线通信设备成为可能。

    背景

    随着智能手机普及带来的数据通信流量的大幅增加,核心网络到无线基站、无线基站到无线基站之间的主干网络的扩张能力正在加速。在过去,主要使用的是宏单元基站,每一个基站都可以覆盖几公里范围内的一个地区。但近年来,为适应通信流量的增加,在原有基站基础上还增加了大量覆盖范围只有几百米的小基站。

    此外,目前处理基站间通信的最常用的方法是采用可传输大量数据的光纤电缆。但在密集的城区以及山河环绕的地区铺设新的光纤电缆是极为困难的。因此,能够轻松实现户外安装的大容量无线设备的研发一直备受期待。

    问题

    大容量无线传输需要使用广泛的频率范围。因为很少有形成竞争的无线应用程序使用到它,这使得毫米波段成为合适的选择。但由于毫米波段采用的频率很高,为此设计合适的CMOS集成电路一直是一个挑战。为了达到目的,CMOS电路的运转水平需要逼近其极限值。同时,开发高质低耗的调制解调毫米波宽带信号的收发器电路也是非常困难的。

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    • 来源专题:集成电路
    • 编译者:Lightfeng
    • 发布时间:2021-05-17
    • 日本富士通宣布,该公司实现并首次演示了AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMTs)在X波段(8-12GHz)的高功率射频(RF)操作。基于GaN的HEMT在高频和高功率应用中具有巨大的潜力,例如无线基站和雷达系统中的射频(RF)功率放大器。该技术在实现更高的输出功率密度、延长通信距离方面具有特别的吸引力。 与在传统碳化硅(SiC)上生长的结构相比,使用AlN衬底可以使Al含量较高的AlGaN缓冲液与GaN二维薄电子通道(2DEG)结合使用。200nm厚的通道可以减少泄漏电流并改善夹断现象。这种Al含量高的AlGaN缓冲液可以形成有效的反向势垒。 在生长具有高Al含量和较低位错密度的AlGaN方面,AlN优于SiC,是由于与AlN的晶格匹配更紧密。如果使用SiC生长AlGaN,在产生大量的位错之前,晶格失配会限制含量在15%以下。 一些研究已经在探索使用GaN衬底来减少位错的方法,但是由于热导率(230W / mK)较低,这会带来潜在的热管理问题。相比之下,AlN和SiC在这方面要好得多,电导率分别为341W / mK和420W / mK。以前关于AlN的HEMT的报告集中在AlGaN通道的高温操作上,但是该通道合金散射而降低了迁移率。 该团队制造的HEMT的栅极长度、栅极宽度、栅极至漏极的长度分别为0.25μm、50μm和3μm。在SiC衬底上生产了一系列对比器件。该材料是使用AlN或SiC上的金属有机气相外延(MOVPE)生产,1英寸(0001)AlN衬底使用物理气相传输(PVT)制成,导致位错密度小于103 / cm2,且均方根表面粗糙度约为1nm。HEMT的欧姆源漏电极是钛/铝,栅极是镍/铝,器件用氮化硅钝化。 A的衬底是AlN,其余的衬底是SiC。用于A的AlGaN缓冲液的Al含量为30%,而SiC上的其余含量为5%。A和F包括2nm的AlN间隔物。 AlN HEMT的最大漏极电流达到1A / mm以上,但SiC上的器件的电流都低于1A / mm,而D器件的最大电流低至0.7A / mm。同样,SiC上的高漏电流器件在击穿电压方面也有所损失,从D的?270V降至F的?160V。相比之下,AlN上的器件A的击穿电压约为250V,接近于HEMT A在20V漏极偏置下的泄漏电流约为1μA/ mm,而B约为10μA/ mm,C约为0.1mA / mm。 在70V漏极偏置(Vds)的情况下,对X频段频率进行的负载拉测试实现了49.1%的峰值功率附加效率(PAE),输出功率(Pout)为41.7dBm,这些值相当于14.7W / mm的输出功率和9.6dB的增益,饱和输出功率密度达到15.7W / mm。研究人员表示下一代大功率RF器件甚至可以实现更好的输出功率特性。
  • 《东京工业大学新型与日本国家信息通信技术研究所 (NICT) 合作开发640 Gbps芯片组为下一代无线系统铺平了道路》

    • 来源专题:新一代信息技术
    • 编译者:isticzz2022
    • 发布时间:2024-06-17
    •       据东京工业大学与国立信息通信技术研究所的研究人员报告称,一种具有 56 GHz 信号链带宽的新型 D 波段 CMOS 收发器芯片组实现了集成电路实现的无线设备的最高传输速度 640 Gbps。该芯片组对于下一代无线系统来说前景十分光明。为了实现更快的速度并处理不断增加的数据流量,无线系统正在更高的毫米波频段运行。当前的高频段 5G 系统提供高达 10 Gbps 的速度,并在 24-47 GHz 之间的频段运行。下一代移动通信系统正在探索更高的频段。       在这个频谱中,D 波段覆盖 110 至 170 GHz 的频率,预计将在下一代无线系统的开发中发挥关键作用。虽然高频提供更快的数据速度,但它们容易受到衰减。因此,对于下一代无线系统的广泛采用,能够保持信号强度的经济高效的发射器和接收器至关重要。       最近,东京工业大学的冈田健一教授及其团队与日本国家信息通信技术研究所 (NICT) 合作开发了一种用于 D 波段的新型收发器芯片组。该芯片组采用广泛使用的 65nm 硅互补金属氧化物半导体 (CMOS) 工艺制造,使其批量生产具有成本效益。研究成果将于 6 月 16 日至 20 日在美国檀香山举行的 2024 年 IEEE VLSI 技术与电路研讨会上发表。冈田评论说:“值得注意的是,世界上最高的 640 Gbps 无线传输速率是使用低成本 CMOS 技术实现的。”       本研究介绍了一款 D 波段 (114–170 GHz) CMOS 收发器芯片组,其信号链带宽为 56 GHz。该收发器的发射机集成电路 (IC) 芯片尺寸为 1.87 mm x 3.30 mm,接收机集成电路 (IC) 芯片尺寸为 1.65 mm x 2.60 mm,其使用的组件旨在在宽频谱范围内保持信号速度和质量(参见图 1)。这些组件包括用于将信号提升到合适水平的功率放大器、用于在最大限度降低噪声的同时增强信号强度的低噪声放大器、用于将信号调整到所需频率范围的频率转换器(混频器)、用于线性化的分布式放大器以及用于将频率提高四倍的频率倍增器。        为了评估无线传输能力,研究人员将芯片组安装在 PCB 上,并将其连接到增益为 25 dBi 的外部天线。信号从通常用于 PCB 的传输线格式转换为用于无线应用中高频信号传输的波导格式,转换损耗保持在 4 dB。借助新芯片组,研究人员实现了 16QAM 和 32QAM(QAM:正交幅度调制)等多级调制方案的高线性度,解决了 IC 收发器的主要障碍。       在对 36 厘米距离处符号率为 40 Gbaud 和 32QAM 调制的调制信号进行测试时,该系统实现了 200 Gbps 的传输速度,具有高调制精度,误码率小于 10-3。此外,使用 16QAM 调制和高增益天线(增益为 43 dBi),研究人员能够在 15 米的距离内实现 120 Gbps 的速度。在具有四个发射器和四个接收器模块的多输入多输出配置中,该芯片组的性能更加令人印象深刻。在这里,每个天线都可以处理自己的数据流,从而实现快速通信。使用 16QAM 调制,每个通道的速度达到 160 Gbps。总体而言,总速度为 640 Gbps。        这些速度代表着一次重大飞跃,比目前的 5G 系统快 10 到 100 倍。Okada 总结道:“拟议的芯片组有望成为下一代无线系统,以支持自动驾驶汽车、远程医疗和先进的虚拟现实体验。”这项工作部分由日本总务省 (JPJ000254) 资助。