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DARPA创新小型化环形器带来全双工能力,实现通信容量的两倍提升

楼主:大国重器 时间:2020-10-29 08:14:05

1958年是集成电路诞生之年,也是美国国防先期研究计划局(DARPA)成立之年。在集成电路特征尺寸不断微缩、集成度越来越高的奇迹般发展过程中,DARPA扮演着重要的角色,为通信、情报搜集、和光信息处理等一系列军事或民用领域带来全新甚至颠覆性的深远影响。目前,将数十亿只晶体管集成进指甲盖大小的芯片面积中已成常态,而DARPA支持的研究团队再一次带来震撼和惊叹。


言归正传
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    美国哥伦比亚大学领导的研究团队在DARPA商业时标阵列项目的支持下,使用硅集成电路最常用的互补金属氧化物半导体(CMOS)制造工艺,首次实现了环形器(circulator)的微型化,以及与标准硅集成电路的单片集成。该壮举带来无线通信用射频能力的双倍提升,意味着更快的网页浏览和下载速度,以及研发出更小、更便宜和更容易升级的天线,可以更好地满足雷达、信号情报和其他应用需求。


技术细节

环形器的主要特征是射频信号在其中只能单向向前传播,不能反向传播,以此减少芯片上的干扰和保持信号隔离。但在大多数材料中射频信号均是双向传输,表现出所谓的“对等行为特性。


非对等器件,如环形器,可以实现射频信号的单向传播。传统环形器利用外部铁氧体磁体来实现射频信号单向传输,但这些磁铁和铁氧体材料导致环形器存在体积庞大、价格高昂、与CMOS工艺不兼容等问题,因此难以通过CMOS工艺实现小型化以及与集成电路的集成。


哥伦比亚大学的研究人员提出一个开创性的设计方案来解决这个小型化道路上的障碍。新的环形器不再需要笨重的铁氧体和磁铁,其通过一系列可与精准时钟相同步的电容来实现射频信号的单向传输。在传统方式中,对信号的“扭动”是通过磁铁所施加的外部磁场而实现;而新的环形器采用电子方式对这种“扭动”进行了模拟。


该创新设计使环形器与集成电路的高度集成成为可能:接收器连接到环形器的“入口”(或端口),发射器连接到该环形器的另一个端口;接收器和发射器共用一个天线,天线自身通过位于两个端口之间的第三个端口耦合到环形器。由于在环形器中射频信号是单向(非对等的)传播的,接收和发射信号可平滑地穿过各自的路径而不会彼此混在一起。


重大意义

在传统大多数双向射频系统中,在给定频点上,发射和接收在时间上必须通过开关进行错开,这样就降低了通信速度。解决这一问题的方法是将发射和接收放在两个不同的频点上,但这又带来了频谱资源浪费的问题,而频谱资源现已十分有限和珍贵。


新的小指甲盖大小的环行器,实现了发射和接收信号的完全隔离,开启了全双工工作模式的大门,即发射和接收可通过同一个天线同时、同频进行。


DARPA微系统技术办公室主任威廉·查普尔表示,新的环形器实现了全双工系统,可使你同时说话和聆听。在雷达应用中,该能力可杜绝短暂但有潜在致命风险的盲瞬间,因为系统无需再在独立的发射和接收模式之间进行切换。


该项目负责人克里希纳斯瓦米表示,通过将频率需求缩小一半,全双工通信可使用于语音、数据和其他信息形式的网络容量增加一倍。在需要大收发阵列的高功率雷达和其他射频系统中,一个紧凑、高效、高性能的环形器可使射频系统变得更小;而新的环形器还可与CMOS工艺兼容,可以很容易地集成到现有芯片制造中,意味着可使研究成果转换为实用的射频技术而非停留在实验室阶段。


芯片版图


棕色小盒子

新的环形器采用棕色塑料封装,与其他焊接在印刷电路板上的电子器件一样低调。图中三个芝麻粒大小的电感提示着这个小盒子工作在射频频段。这些电感用于帮助实现发射、接收和天线端口间“单向高速公路”的小型化。发射端口在单独电感的旁边,天线端口在一对电感的中间,接收端口在图中的12点方向。




曲折环绕的电路

藏在封装的是环形器电路,包括以电容为主的环形器(16个小方块阵列)和附近一个高精度时钟电路。在图形的上半部分是16个环形器电容,每一个都“大到”足以框住一粒尘埃。电容下面是“时钟产生电路,他们像乐曲般编排着电容的行为,以保证射频信号单向经过环形器。




嘀和嗒

在环形器电容阵列附近的是时钟产生电路,包括一对产生定时信号的时钟单元。它能够按顺序驱动小到看不见的晶体管来控制环形器的电容。这些电容共同控制着环形器中射频信号的相位,这样射频信号就能以一个方向传播。




“核心责任人”

带有水平线贯穿其中的方块是独立的电容,每一个电容的面积大约是头发直径的平方。他们精确定时和编排的行为是确保环形器中射频信号单向传输的关键。


2016年2月底,DARPA曾通过最新研制的光电集成微处理器,展示了微纳制造工艺的精妙。如想多一次震撼,请移步于此


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