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工程师们发明了突破性的毫米波循环器IC

2019-04-19 10:10:50   来源:

由工程学副教授Harish Krishnaswamy领导的哥伦比亚工程研究人员与来自UT-Austin的Andrea Alu教授团队合作,继续在现代半导体工艺中开发无磁非互易元件方面开辟新天地。在2月的IEEE国际固态电路会议上,Krishnaswamy的团队推出了一种新设备:硅芯片上的第一个无磁非互易环行器,工作在毫米波频率(频率接近和高于30GHz)。继这项工作之后,该团队在今天发表在Nature Communications上的一篇论文中展示了新设备背后的物理原理。

大多数设备是互逆的:信号在正向和反向方向上以相同的方式传播。另一方面,诸如循环器的非互易装置允许前向和反向信号穿过不同的路径并因此被分开。传统上,非互易装置由特殊的磁性材料制成,这使得它们体积大,价格昂贵,并且不适合用于消费者的无线电子设备。

该团队开发了一种新的方法来实现波的非互易传输:使用精心同步的高速晶体管开关,以不同的方式路由前向和反向波。实际上,它类似于两列以超高速接近的列车,这些列车在最后一刻绕行,以便它们不会发生碰撞。

这种新方法的关键进步是,它使循环器能够以传统的半导体芯片构建,并以毫米波频率工作,实现全双工或双向无线。实际上,所有电子设备目前都在较低的无线电频率(低于6GHz)下以半双工模式运行,因此,我们正快速耗尽带宽。全双工通信,其中收发器的发送器和接收器在同一频率信道上同时工作,使现有带宽内的数据容量加倍。进入更高的毫米波频率,30GHz及以上,开辟了目前尚未使用的新带宽。

“这给了我们更多的房地产,”Krishnaswamy指出,他的哥伦比亚高速和Mm-wave IC(CoSMIC)实验室多年来一直致力于用于全双工通信的硅无线电芯片。他的方法实现了无损,紧凑和极宽的非互易性能,理论上从DC到日光,可用于构建各种非互易元件,如隔离器,回转器和循环器。

“这种毫米波循环器可以实现毫米波无线全双工通信,Krishnaswamy补充说,”这可能彻底改变新兴的5G蜂窝网络,虚拟现实无线链路和汽车雷达。“

其影响是巨大的。例如,自动驾驶汽车需要低成本的全集成毫米波雷达。这些雷达固有地需要全双工,并且可以与自驾车中的超声和基于摄像头的传感器一起使用,因为它们可以在各种天气条件下以及夜间和白天工作。哥伦比亚工程循环器还可用于为VR耳机构建毫米波全双工无线链路,其目前依赖于有线连接或计算设备的系绳。

“为了获得流畅的无线VR体验,必须在计算机和需要低延迟双向通信的耳机之间来回传输大量数据,”Krishnaswamy说。“由我们的CMOS循环器实现的毫米波全双工收发器可能是一个很有前途的解决方案,因为它有可能以低成本提供低速延迟的高速数据。”

该团队由美国国家科学基金会EFRI计划,DARPA SPAR计划和德州仪器等资源提供资金,目前正在努力提高其循环器的线性度和隔离性能。他们的长期目标是建立一个使用其循环器的大规模毫米波全双工相控阵系统。