工程师发明了突破性的毫米波循环器IC

发布时间:2020-04-27 12:59:10 【来源:

电气工程副教授Harish Krishnaswamy领导的哥伦比亚工程研究人员与来自UT-Austin的Andrea Alu教授的团队合作,在开发现代半导体工艺中的无磁不可逆组件方面继续开拓新的领域。在2月份举行的IEEE国际固态电路会议上,克里希纳斯瓦米(Krishnaswamy)的小组推出了一种新设备:硅芯片上的第一款无磁铁,不可逆的循环器,其工作频率为毫米波频率(频率接近或高于30GHz)。在这项工作之后,研究小组在今天发表在《自然通讯》上的一篇论文中,演示了新设备背后的物理原理。

大多数设备是互惠的:信号以相同的方式在正向和反向传播。另一方面,诸如循环器之类的不可逆设备允许正向和反向信号遍历不同的路径,因此被分离。传统上,不可逆设备是由特殊的磁性材料制成的,这使其体积庞大,昂贵且不适合消费类无线电子产品。

该团队开发了一种新的方式来实现波的不可逆传输:使用精心同步的高速晶体管开关,以不同的方式传递正向和反向波。实际上,它类似于两列火车以超高速互相接近,它们在最后一刻绕道而行,以免它们发生碰撞。

这种新方法的关键进步在于,它使循环器能够内置于常规半导体芯片中,并以毫米波频率工作,从而实现全双工或双向无线通信。目前,几乎所有电子设备都以较低的无线电频率(低于6GHz)以​​半双工模式运行,因此,我们正在迅速耗尽带宽。全双工通信(其中收发器的发送器和接收器在同一频道上同时运行)使现有带宽内的数据容量加倍。进入更高的毫米波频率(30 GHz及更高​​),将打开当前未​​使用的新带宽。

克里希纳斯瓦米(Krishnaswamy)指出:“这给我们带来了更多的房地产。”哥伦比亚高速和毫米波集成电路(CoSMIC)实验室的研究人员已经致力于全双工通信的硅无线电芯片。从理论上讲,从直流到日光,他的方法可实现无损,紧凑且极宽的宽带互逆行为,可用于构建各种隔离,回旋器和循环器等互逆组件。

Krishnaswamy补充说:“这种毫米波环行器实现了毫米波无线全双工通信,这将彻底改变新兴的5G蜂窝网络,虚拟现实的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。这些雷达本质上需要是全双工的,并且可以与自动驾驶汽车中基于超声和摄像头的传感器一起使用,因为它们可以在所有天气条件下以及在白天和黑夜都可以工作。Columbia Engineering循环器还可以用于为VR头戴式耳机建立毫米波全双工无线链接,目前这些头戴式耳机依赖于到计算设备的有线连接或系绳。

Krishnaswamy说:“要获得顺畅的无线VR体验,必须在计算机与要求低延迟双向通信的头戴式耳机之间来回发送大量数据。”“由我们的CMOS循环器支持的毫米波全双工收发器可能是一个有前途的解决方案,因为它具有以低延迟,小尺寸,低成本传送高速数据的潜力。”

该小组由美国国家科学基金会EFRI计划,DARPA SPAR计划和德州仪器(TI)等机构资助,目前正在努力改善其循环器的线性和隔离性能。他们的长期目标是建立使用其循环器的大规模毫米波全双工相控阵系统。

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