Credit: ISSCC 2021东京理工大学(东京理工大学)和NTT公司(NTT)的科学家开发了一种基于CMOS的新型收发器，可用于300 GHz频段的无线通信，支持未来的超5G应用。他们的设计解决了在实际极限下运行CMOS技术的挑战，代表了第一个在如此高的频率下运行的宽带CMOS相控阵系统。高频通信是电子学的目标，因为研究人员试图获得更高的数据速率，并利用电磁频谱中未充分利用的部分。5G之外的许多应用，以及无线通信的IEEE802.15.3d标准，都要求发射机和接收机能够在接近或高于300千兆赫的频率下工作。
目前的互补金属氧化物半导体技术并不完全适合这种高频。在300千兆赫附近，放大变得相当困难。尽管已经提出了一些基于CMOS的300 GHz收发器，但它们要么缺乏足够的输出功率，只能在直接视线条件下工作，要么需要实现大的电路面积。
为了解决这些问题，东京理工大学的一组科学家与NTT合作，提出了一种基于300千兆赫互补金属氧化物半导体收发器的创新设计(图1)。他们的工作将在2021年IEEE ISSCC(国际固态电路会议)的技术论文摘要中介绍。
Credit: ISSCC 2021提出的设计的一个关键特征是双向的；包括混频器、天线和本地振荡器在内的大部分电路由接收机和发射机共享(图2)。这意味着整体电路复杂性和所需的总电路面积比单向实现低得多。
另一个重要方面是在相控阵配置中使用四个天线。现有的300千兆赫互补金属氧化物半导体发射机解决方案使用单个射频元件，这限制了天线增益和系统输出功率。另一个优势是相控阵的波束形成能力，它允许设备调整天线信号的相对相位，以创建具有自定义方向性的组合辐射图。使用的天线是堆叠的维瓦尔第天线，可以直接蚀刻在印刷电路板上，使其易于制造。
所提出的收发器使用次谐波混频器，该混频器与双向操作兼容，并且需要频率相对较低的本地振荡器。然而，这种类型的混合导致低输出功率，这导致团队求助于一种旧的但功能性的技术来提高它。领导这项研究的东京理工大学冈田健一教授解释说:“异相是一种通常用来提高功率放大器效率的方法，它使功率放大器能够在接近其不再线性工作的输出功率下工作，也就是说，没有失真。在我们的工作中，我们使用这种方法，通过以饱和输出功率运行混频器来提高传输输出功率。”新收发器的另一个显著特点是出色地消除了本地振荡器馈通(从本地振荡器通过混频器到ou tput的“泄漏”)和镜像频率(所用接收方法的常见干扰类型)。
整个收发器在小至4.17 mm2的面积内实现。它的最大传输速率为26千兆位，最大接收速率为18千兆位，超越了最先进的解决方案。冈田对这一结果感到兴奋，他说:“我们的工作首次展示了工作频率高于200千兆赫的宽带互补金属氧化物半导体相控阵系统的实现。”
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