导读


最近,日本科学家开发出一种低功耗毫米波放大器,供电电压低至0.5V,频率覆盖范围从80 GHz 到 106 GHz。它使用深度耗尽通道(DDC)技术进行制造,是首个工作在W波段(75−110 GHz),具有这么低的供电电压的放大器。


关键字

毫米波、雷达、智能手机、自动驾驶

背景


今天,我们所要介绍的创新技术成果,和一项重要的前沿技术相关。它就是:


毫米波


毫米波,是指波长在1毫米至10毫米之间、频率在30 GHz 至300 GHz之间的电磁波。它位于微波与远红外波相交叠的波长范围,所以兼有两种波谱的特点。


它具有如下优点:


  • 频谱范围广、带宽极宽。

  • 波束窄,因此分辨率高,抗干扰性好。

  • 传播受气候的影响要小得多,可以认为具有全天候特性。

  • 更容易小型化。

  • 观测灵敏度高。


因此,毫米波技术可应用于很多领域,例如:


  • 科学研究,例如射电天文学、遥感技术方面。高分辨率的毫米波辐射计可用于遥感气象参数;毫米波和亚毫米波的射电天文望远镜可用于探测宇宙空间的辐射波谱,推断星际物质的成分。

(图片来源于: 维基百科)

  • 通信,例如5G通信方面,在射频前端和天线中会使用到毫米波技术,这点笔者曾在《Flex5Gware项目:推动5G平台及关键技术研发》一文中介绍过;另外,地球上的点对点通信或者卫星的通信或广播方面,也会用到毫米波,因为它具有很强的隐蔽性和抗干扰性,所以点对点毫米波通信可用于保密很高的通信领域,而卫星通信中则利用了毫米波段频谱资源丰富的优势。


(图片来源于: 维基百科)


  • 雷达,利用毫米波技术制成的雷达,可广泛应用于例如坦克、飞机、舰艇的短程火控雷达,以及拦截目标用的雷达、导弹制导系统、汽车车载雷达等等方面。

(图片来源于: 维基百科)

  • 安检,毫米波成像技术可有效地对被检测物体进行成像, 在机场安检等方面得以应用。

  • 医疗,据医学研究发现,毫米波和人体组织的固有频率相近,能够引起人体大分子组织的谐振,从而达到改善人体机能、治疗疾病的效果。


然而,对于毫米波技术成功商用来说,很重要一点就是控制好电路功耗。


创新


最近,广岛大学和三重富士通半导体(MIFS)宣布开发一种低功耗毫米波放大器,供电电压低至0.5V,频率覆盖范围从80 GHz 到 106 GHz。它使用了MIFS的深度耗尽通道(DDC)技术进行制造,是首个能工作在如此低的电源电压下的W波段(75−110 GHz)放大器。

W波段覆盖了车载雷达所使用的频率。汽车复杂的辅助驾驶以及自动驾驶功能,需要车载雷达具有毫米波扫描能力,无论白天还是黑夜,甚至在恶劣的天气条件下,都可以“看得到”。这样的“相控阵”一般由多达几百个发射机和接收机组成。

技术


虽然,现在越来越多的汽车都变成了电动的,即由电池供电,但是这些电路仍然需要是低功耗的。降低供电电压是最有效的方式。可是,晶体管的性能会随着电压的降低而减退,目前为此,还没有W波段的放大器可以工作在0.5V这么低的电压条件下。


然而,研究团队成功展示了一种W波段放大器,可以工作在0.5V的电压条件下,这是因为他们将DDC技术和东京大学的设计技术结合。即使在低电压条件下,DDC技术也能让硅MOS晶体管达到高性能,并且MIFS目前具有55纳米的CMOS工艺可以制造这种晶体管。这种设计技术进一步提升了在毫米波频段下的晶体管和电路的性能。


价值


对于这项创新的价值和相关应用,广岛大学的Minoru
Fujishima
教授评论说:


“现在,如此低功耗的W波段的电路真正实现了,我们应该想如何利用它。应用领域不仅仅是汽车雷达以及基站之间的高速通信。如果你的智能手机上具有一个雷达,那将会怎样?如今的智能手机已经能够感知加速度、可听见的声音、可看见的光线、以及地球的磁场。但是只有一个主动探测设备,就是LED(发光二极管),它最多可以照亮几米远。在智能手机上增加一个毫米波雷达,并且它也不必被称为初级雷达(只检测发射回来的波)。你的智能手机可以响应来自你朋友手机雷达的波,并且发回一些信号。这将带来非常多的新应用包括游戏类的。”


由此可见,这项创新发明,使得未来毫米波雷达技术可应用在智能手机等小型化的电子设备中,带来更多的应用例如各种游戏。除此之外,它的应用当然也包括汽车、自行车、摩托车等等的交通工具。

(图片来源于: 广岛大学

另外,Fujishima 教授又补充道:


“我们设计的0.5V的W波段放大器,另外一个重要的意义就是可靠性。我们研究人员知道一些主要的会议上展示的毫米波电路,电压在1V或者更高,难以持久。如果你测量它们,在几天甚至几小时,而不是几年,就会发现它们的性发生衰退,这是因为所谓的’热载流子效应’。你不会想要一辆很快就会失去‘视力’的汽车。0.5V的电压将显著降低热载流子的产生。”


未来


三重富士通半导体技术开发的副总监 Mutsuaki Kai 说:


“相比于传统的CMOS技术,我们的DDC晶体管在低功耗的操作方面具有更佳的性能。我们已经证实能将这些优越的性能拓展至毫米波频段。我对于我们和广岛大学之间的合作感到满意。我们计划构建一个最大化DDC技术能力的设计环境,来进一步推进这项研究。”


研究小组计划继续拓展低电压毫米波CMOS电路的可能性。


参考资料


【1】https://www.hiroshima-u.ac.jp/en/news/39778

【2】K. Katayama, S. Amakawa, K. Takano, T. Yoshida, M. Fujishima, K.
Hisamitsu, and H. Takatsuka, “An 80−106 GHz CMOS amplifier with 0.5 V
supply voltage,” IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium
(RFIC), June 2017.



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