2020年度“中國高等學校十大科技進展”近日揭曉。東南大學尤肖虎教授領銜的“CMOS 毫米波芯片與大規模集成相控陣”研究項目入選。項目完成單位包括東南大學、網絡通信與安全紫金山實驗室和天銳星通科技有限公司。

由全向傳播到定向傳播

什么是毫米波？尤肖虎解釋，每一代移動通信的頻率都在不斷升高，到了第五代移動通信，波長則到了毫米這個量級。毫米波的特點是高頻段，帶寬高，可承載的流量大。

“目前5G還在起步階段，就像4G一樣，剛開始網速較快，后來越來越慢，其中一個主要原因是用戶多了，網絡擁塞了，實際上是帶寬不夠用了。所以下一步5G朝更高頻段是早晚的事情，是大的趨勢。”尤肖虎說，但毫米波的缺點是傳播距離很近，怎么解決這個問題，就變成毫米波能否用于5G以及衛星通信的最關鍵技術之一。相控陣提供了解決的辦法。

“過去的電波都是按照球面狀來傳播，相控陣則是以一條直線來傳播，這樣能量集中在某一個方向上，傳輸距離不再是幾米幾十米，我們用于衛星通信還可以傳到3萬多公里。“尤肖虎說，相控陣就是為了解決電波朝某個方向集中傳播、能夠讓傳播距離越走越遠，這樣毫米波在高頻段用于移動通信以及衛星通信變成可能。

新技術可將成本降到十分之一

傳統的相控陣都用化合物和半導體材料去做，由于制作成本高昂, 極大地限制了其應用范圍。尤肖虎教授、趙滌燹教授等人組成的聯合研究團隊經過多年探索，突破了 CMOS 器件固有瓶頸，成功研制出 Ka 頻段毫米波 CMOS 相控陣芯片，并探索出基于高密度混壓 PCB 工藝的大規模集成相控陣解決方案，具有超高集成度、超低成本等特點。

尤肖虎介紹，現在手機和電子產品95%以上都是基于 CMOS 工藝，是最普及的工藝，也是最容易做到低成本和大規模量產的工藝。這種工藝比較難的地方是：做到頻率比較高的時候，有一些負面的特性。尤肖虎團隊考慮的就是把這些負面特性解決掉，才能使得最便宜最常見的工藝用于毫米波。“這項技術研究成功后，可以大幅降低成本。比如過去的相控陣，制造成本可能是幾十萬，應用新技術降低到原來的十分之一，是完全可以的。隨著技術的成熟，還可以做到更便宜，甚至到白菜價，歐洲服務器租用，使得毫米波技術更便于推廣應用。”

中國將進入5G毫米波時代

據了解，該項成果已在車載、船載和無人機寬帶衛星移動通信和毫米波 5G 領域得到規模性應用，曾入選《Light: Science & Applications》與科學網評選出的“2020中國光學領域十大社會影響力事件”。相關技術創新成果發表于 IEEE JSSC，TMTT，TCAS I 等著名國際期刊，并作為封面論文發表于《中國科學：信息科學》2021 年第 3 期；已申請國家發明專利 15 項。大概有30多個廠家圍繞著這項技術在開發各種產品。

“5G目前在厘米頻段，但預計到冬奧會之后，中國將進入5G毫米波時代。這個時候，我們的手機、基站將會成毫米波的頻段。這樣相控陣技術就大有可為了。” 尤肖虎表示，隨著移動通信朝6G發展，他們在考慮把現有技術用到6G領域，預計6G頻段更高，這項技術在200-300GHZ頻段上仍然可以用，但是遇到挑戰會更大。

尤肖虎說，東大移動通信國家重點實驗室和紫金山實驗室希望在涉及未來移動通信長遠發展的基礎方面做一些長久的研究，把基礎扎牢，使得國家出現重大需求時，云主機租用，有自主可控的技術可以使用。