新型低功耗毫米波技術：未來智能手機可裝備雷達！

導讀

最近，日本科學家開發出一種低功耗毫米波放大器，供電電壓低至0.5V，頻率覆蓋範圍從80 GHz 到 106 GHz。它使用深度耗盡通道（DDC）技術進行製造，是首個工作在W波段(75?110 GHz)，具有這麼低的供電電壓的放大器。

關鍵字

毫米波、雷達、智能手機、自動駕駛

背景

今天，我們所要介紹的創新技術成果，和一項重要的前沿技術相關。它就是：

毫米波

毫米波，是指波長在1毫米至10毫米之間、頻率在30 GHz 至300 GHz之間的電磁波。它位於微波與遠紅外波相交疊的波長範圍，所以兼有兩種波譜的特點。

它具有如下優點：

• 頻譜範圍廣、帶寬極寬。

• 波束窄，因此解析度高，抗干擾性好。

• 傳播受氣候的影響要小得多，可以認為具有全天候特性。

• 更容易小型化。

• 觀測靈敏度高。

因此，毫米波技術可應用於很多領域，例如：

• 科學研究，例如射電天文學、遙感技術方面。高解析度的毫米波輻射計可用於遙感氣象參數；毫米波和亞毫米波的射電天文望遠鏡可用於探測宇宙空間的輻射波譜，推斷星際物質的成分。

（圖片來源於: 維基百科）

• 通信，例如5G通信方面，在射頻前端和天線中會使用到毫米波技術，這點筆者曾在《Flex5Gware項目:推動5G平台及關鍵技術研發》一文中介紹過；另外，地球上的點對點通信或者衛星的通信或廣播方面，也會用到毫米波，因為它具有很強的隱蔽性和抗干擾性，所以點對點毫米波通信可用於保密很高的通信領域，而衛星通信中則利用了毫米波段頻譜資源豐富的優勢。

（圖片來源於: 維基百科）

• 雷達，利用毫米波技術製成的雷達，可廣泛應用於例如坦克、飛機、艦艇的短程火控雷達，以及攔截目標用的雷達、導彈制導系統、汽車車載雷達等等方面。

（圖片來源於: 維基百科）

• 安檢，毫米波成像技術可有效地對被檢測物體進行成像， 在機場安檢等方面得以應用。

• 醫療，據醫學研究發現，毫米波和人體組織的固有頻率相近，能夠引起人體大分子組織的諧振，從而達到改善人體機能、治療疾病的效果。

然而，對於毫米波技術成功商用來說，很重要一點就是控制好電路功耗。

創新

最近，廣島大學和三重富士通半導體（MIFS）宣布開發一種低功耗毫米波放大器，供電電壓低至0.5V，頻率覆蓋範圍從80 GHz 到 106 GHz。它使用了MIFS的深度耗盡通道（DDC）技術進行製造，是首個能工作在如此低的電源電壓下的W波段(75?110 GHz)放大器。

W波段覆蓋了車載雷達所使用的頻率。汽車複雜的輔助駕駛以及自動駕駛功能，需要車載雷達具有毫米波掃描能力，無論白天還是黑夜，甚至在惡劣的天氣條件下，都可以「看得到」。這樣的「相控陣」一般由多達幾百個發射機和接收機組成。

技術

雖然，現在越來越多的汽車都變成了電動的，即由電池供電，但是這些電路仍然需要是低功耗的。降低供電電壓是最有效的方式。可是，晶體管的性能會隨著電壓的降低而減退，目前為此，還沒有W波段的放大器可以工作在0.5V這麼低的電壓條件下。

然而，研究團隊成功展示了一種W波段放大器，可以工作在0.5V的電壓條件下，這是因為他們將DDC技術和東京大學的設計技術結合。即使在低電壓條件下，DDC技術也能讓硅MOS晶體管達到高性能，並且MIFS目前具有55納米的CMOS工藝可以製造這種晶體管。這種設計技術進一步提升了在毫米波頻段下的晶體管和電路的性能。

價值

對於這項創新的價值和相關應用，廣島大學的Minoru
Fujishima 教授評論說：

「現在，如此低功耗的W波段的電路真正實現了，我們應該想如何利用它。應用領域不僅僅是汽車雷達以及基站之間的高速通信。如果你的智能手機上具有一個雷達，那將會怎樣？如今的智能手機已經能夠感知加速度、可聽見的聲音、可看見的光線、以及地球的磁場。但是只有一個主動探測設備，就是LED（發光二極體），它最多可以照亮幾米遠。在智能手機上增加一個毫米波雷達，並且它也不必被稱為初級雷達（只檢測發射回來的波）。你的智能手機可以響應來自你朋友手機雷達的波，並且發回一些信號。這將帶來非常多的新應用包括遊戲類的。」

由此可見，這項創新發明，使得未來毫米波雷達技術可應用在智能手機等小型化的電子設備中，帶來更多的應用例如各種遊戲。除此之外，它的應用當然也包括汽車、自行車、摩托車等等的交通工具。

（圖片來源於: 廣島大學）

另外，Fujishima 教授又補充道：

「我們設計的0.5V的W波段放大器，另外一個重要的意義就是可靠性。我們研究人員知道一些主要的會議上展示的毫米波電路，電壓在1V或者更高，難以持久。如果你測量它們，在幾天甚至幾小時，而不是幾年，就會發現它們的性發生衰退，這是因為所謂的"熱載流子效應"。你不會想要一輛很快就會失去『視力』的汽車。0.5V的電壓將顯著降低熱載流子的產生。」

未來

三重富士通半導體技術開發的副總監 Mutsuaki Kai 說：

「相比於傳統的CMOS技術，我們的DDC晶體管在低功耗的操作方面具有更佳的性能。我們已經證實能將這些優越的性能拓展至毫米波頻段。我對於我們和廣島大學之間的合作感到滿意。我們計劃構建一個最大化DDC技術能力的設計環境，來進一步推進這項研究。」

研究小組計劃繼續拓展低電壓毫米波CMOS電路的可能性。

參考資料

【1】https://www.hiroshima-u.ac.jp/en/news/39778

【2】K. Katayama, S. Amakawa, K. Takano, T. Yoshida, M. Fujishima, K.
Hisamitsu, and H. Takatsuka, 「An 80?106 GHz CMOS amplifier with 0.5 V
supply voltage,」 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium
(RFIC), June 2017.

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