利用创新的CMOS发射器进入300GHz频段
据东京工业大学的科学家报道，一种新的相控阵发射器设计克服了300GHz频段CMOS技术的常见问题。由于其卓越的面积效率、低功耗和高数据速率，所提出的发射器可以为300GHz频段的许多技术应用铺平道路，包括人体和细胞监测、雷达、6G无线通信和太赫兹传感器。
如今，大多数250GHz以上的频率仍未分配。因此，许多研究人员正在开发300GHz发射器/接收器，以利用这些频率下的低大气吸收率以及随之而来的极高数据速率的潜力。
然而，高频电磁波在自由空间中传播时会快速变弱。为了解决这个问题，发射机必须通过实现大的有效辐射功率来进行补偿。虽然过去几年提出了一些有趣的解决方案，但通过传统CMOS工艺制造的300GHz频段发射器还没有同时实现高输出功率和小尺寸。
现在，东京工业大学(TokyoTech)和NTT公司的KenichiOkada教授领导的研究团队最近开发了一款300GHz频段发射机，通过多项关键创新解决了这些问题。他们的工作将在2024年IEEE国际固态电路会议(ISSCC)上展示。
所提出的解决方案是由64个辐射元件组成的相控阵发射机，这些辐射元件排列在16个集成电路中，每个集成电路有四个天线。由于元件通过堆叠印刷电路板(PCB)进行三维排列，因此该发射器支持2D波束控制。简而言之，发射功率可以垂直和水平瞄准，从而实现快速波束控制和有效跟踪接收器。
值得注意的是，所使用的天线是Vivaldi天线，它可以直接在上实现，并具有适合高频的形状和发射曲线。
所提出的发射机的一个重要特点是其后功率放大器(PA)架构。通过将放大级放置在天线之前，系统只需放大已经经过调节和处理的信号。这会带来更高的效率和更好的放大器性能。
研究人员还解决了CMOS工艺中传统晶体管布局出现的一些常见问题，即高栅极电阻和大寄生电容。他们通过添加额外的漏极路径和过孔以及改变金属层之间的几何形状和元件布局来优化布局。
“与标准晶体管布局相比，所提出的晶体管布局中的寄生电阻和电容都得到了减轻，”冈田教授评论道。“反过来，晶体管增益转角频率(晶体管的放大倍数在较高频率下开始下降的点)从250GHz增加到300GHz。”
除了这些创新之外，该团队还设计并实现了与每个天线一起使用的多级300GHz功率放大器。由于级之间具有出色的阻抗匹配，放大器表现出了出色的性能，正如Okada教授强调的那样：“所提出的功率放大器在237至267GHz范围内实现了高于20dB的增益，并具有尖锐的截止频率来抑制失频-带不需要的信号。”