100GHz无线收发器将芯片带向6G领域

某研究小组成员研发了一种无线收发器芯片，能够传输超过100 GHz的信号，而且比现有系统能耗低，其成本也低。该收发器的传输频率远远高于任何与5G蜂窝通信有关的频率，所以研究人员将该器件描述为“超越5G”。

他们终极目标可不仅是超越5G，而是创造一条技术途径，使无线系统能够与光纤相抗衡。

来自加州大学尔湾分校（UCI）纳米通信集成电路（NCIC）实验室团队打造了一颗4.4平方毫米的芯片，该芯片比目前任何可用的芯片处理数字信号的速度明显快很多，而且更节能。这是利用一种独特的数字模拟架构来实现的，这种结构通过调制模拟和射频域中的数字位来显著降低数字处理的要求。研究人员称，他们已经通过这种方法克服了摩尔定律的局限性。

他们采用55纳米的SiGe BiCMOS工艺制造了单通道115-135 Ghz接收器原型。经测量，该器件在30 cm的传输距离下，无线数据传输速率为36Gbps。在接收端，8PSK信号片上解调的误码率（BER）为1e-6。在此误码率下测量的接收器灵敏度为-41.28 dBm。包括衬垫和测试线路（2.5 mm²的有效区域）在内，该原型占了2.5 x 3.5 mm²的裸片面积。它所消耗的直流总功率为200.25mW，最大变频增益为32dB，最小噪声系数是10.3dB。

采用55纳米SiGe BiCMOS工艺制造的NCIC的单通道115-135-GHz接收器原型，经测量，该该器件在30 cm的传输距离下，其无线数据传输速率为36Gbps。（图片来源：UCI）

他们的创新在最近发表于《IEEE固态电路杂志》上的一篇名为《115-135 GHz 8PSK接收机采用基于多相位RF相关的直接解调方法》的论文里有概述。其中介绍了接收机的原理、设计和实现。RF-to-bits接收架构的输出是解调位，因此无需高功耗、高分辨率数据转换器。

资深作者Payam Heydari，NCIC实验室主任、UCI电子工程和计算机科学教授指出，长期以来，学术研究人员和通信电路工程师一直想搞清楚无线系统是否能够达到光纤网络的高性能和速度。“如果这种可能性能变成现实，将会改变电信行业，因为与有线系统相比，无线基础设施带来了许多优势”。

Heydari表示，他们团队的无线收发器芯片（他们已将其称为“超越5G”），超越了5G的无线标准，并将其带入了6G标准领域，该标准有望在100 GHz及以上工作。研究小组称，随着美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission)最近开放了100 GHz以上的新频段，他们的新收发器是首个在该频段提供端到端功能的收发器。

克服摩尔定律的局限性

据Heydari称，通过在收发器中调制和解调来改变信号的频率，传统意义上是通过数字处理来实现的，但是近几年，集成电路工程师已经开始注意到该方法的物理局限性。

“根据摩尔定律，我们应该能够通过减小晶体管（就像你在发射器和接收器中看到的那样）的尺寸来提高其速度，但现在情况已经不同了。” Heydari他说道，“你不可能把电子分成两半，所以我们已经接近由半导体器件物理特性所决定的极限。”为了应对这个问题，NCIC实验室开发了在模拟域和射频域调制数字位的技术，这使得芯片布局的成本更低，能耗也更低。

该团队表示，该技术与相控阵系统相结合，利用多个天线来控制光束，有助于在无线数据传输和通信方面实现一些颠覆性应用。这也会让数据中心不必再铺设数英里长的光纤电缆，所以数据中心运营商可以实现超高速无线传输，并在硬件、冷却和能源方面节省大量资金。

TowerJazz和STMicroelectronics为本研究项目提供了半导体制造服务。

本文同步刊登于电子工程专辑杂志2019年9月刊

责编：Yvonne Geng