毫米波收發(fā)機芯片如何實現

　　NICT研發(fā)的毫米波收發(fā)機架構圖

　　商用的毫米波收發(fā)機芯片會使用CMOS（CMOS=complementary metal-oxide-semiconductor，指用半導體-氧化層-金屬堆疊形成半導體器件的工藝，是最常用的集成電路制造工藝）工藝，這一方面為了能夠和數字模塊集成，另一方面為了節(jié)省成本。

　　毫米波收發(fā)機芯片的結構和傳統(tǒng)頻段收發(fā)機很相似，但是毫米波收發(fā)機有著獨特的設計挑戰(zhàn)。

　　其一是如何控制功耗。毫米波收發(fā)機要求CMOS器件能工作在毫米波頻段，所以要求CMOS器件對信號的靈敏度很高。我們可以參照日常生活中的水龍頭來說明這個問題。

　　大家一定都經常有開關水龍頭的經驗，很多水龍頭在關著時，需要擰很多下才會出來一點點水，然后隨著水流越來越大，只要多擰一點點水流就會變大很多。在這里，手擰龍頭的動作就是激勵信號，而對應的水流變化就是輸出響應。CMOS器件本質上和水龍頭很像，都是通過控制端（即CMOS的柵極）調整輸出流量（對水龍頭是水流，對CMOS則是輸出電流）。

　　因此，如果需要CMOS器件對微弱的毫米波信號能快速響應，必須把它的直流電流調到很大（相當于把水龍頭設置在水流很大的狀態(tài)）。這樣一來，CMOS電路就需要很大的功耗才能處理毫米波信號。

　　另一個毫米波芯片必須考慮的問題是傳輸線效應。

　　相信大家還記得高中物理里面的受力分析，（下圖左）分析一根靜止繩子的受力情況（靜力分析）是很簡單的，繩子的彈力即等于人對繩子的拉力，而且每一點都相同，這樣的問題在高中物理考試里面屬于送分題。但如果不是靜止地拉繩子，而是用手揮動繩子呢（下圖右）？這時在繩子上產生了一列機械波，每一點的受力情況都不相同，而且受力的變化不僅取決于手揮動繩子手的施力還取決于繩子的材質（決定了波長）。這時候分析受力就比較困難，屬于高中物理競賽級別的題目。

　　毫米波電路設計也會遇到類似的挑戰(zhàn)。我們可以把電路中的導線類比成繩子，而把電路中的信號源類比為對繩施力的人。當信號變化的頻率很慢的時候，就近似地等于靜力分析，此時導線上每一點的信號都近似地等于信號源的信號。當信號變化很快時，由于信號的波長接近或小于導線的長度，我們必須仔細考慮導線上每一點的情況，而且導線的性質（特征阻抗）會極大地影響信號的傳播。

　　這種效應在電磁學中被稱為“傳輸線效應”，在設計毫米波芯片時必須仔細考慮傳輸線效應才能確保芯片正常工作。

　　不過，盡管設計充滿挑戰(zhàn)，毫米波芯片大規(guī)模商用化目前已現曙光。Broadcom已經推出了60GHz的收發(fā)機芯片（BCM20138），該產品主要針對60GHz頻段的WiFi標準（802.11.ad），也可以看作是為5G毫米波芯片解決方案投石問路。Qualcomm也于兩年前不甘落后收購了專注于毫米波技術的Wilocity。同時，三星，華為海思等重量級選手也在加緊研發(fā)毫米波芯片。相信在近期我們就會看到毫米波射頻芯片市場變得熱鬧非凡。

　　Wilocity推出的60GHz芯片

　　結語

　　毫米波技術可以通過提升頻譜帶寬來實現超高速無線數據傳播，從而成為5G通訊技術中的關鍵之一。毫米波芯片設計必須克服功耗和電磁設計兩大難關，當這兩個問題解決后大規(guī)模商用只是時間問題。