2D可拓展的半波长布局太赫兹大规模相控阵技术

【作者】 张季聪； 丰益年； 王成； 张波；

【机构】 电子科技大学电子科学与工程学院；

【摘要】 太赫兹波是未来高速无线数据传输的关键频段之一,具有天然的超宽带优势,对解决数据流量爆炸式增长造成的微波、毫米波频谱资源拥挤问题提供了良好的途径。发展大规模的太赫兹相控阵是实现大容量、远距离、多用户间无线数据传输的必要技术。然而,目前>100GHz以上的相控阵[1-5]面临着成本高昂、难以扩展的问题,导致阵列规模受限。因此,发展低成本的、可拓展的太赫兹大规模相控阵技术是急需解决的难题。本次报告将展示电子科技大学在太赫兹大规模相控阵芯片方面的工作进展。本报告将展示一种可拓展且半波长布局的D波段相控阵,创新实现了纵横两个方向瓦片式二维扩展,可灵活的根据需求调整阵列单元数量,无需重新设计芯片。相较于整片生产的大尺寸芯片,大幅降低生产成本,为后续的太赫兹大规模相控阵(10^3单元)的集成奠定基础。目前,太赫兹相控阵往往采用信号二进制的分布网络实现阵列单元间的信号分配。这种方案电路结构简单,各阵元间的信号幅相一致性较好,但是拓展性较差,无法直接应用于大规模阵列的集成。针对上述问题,我们创新地提出了行波LO/IF分配网络实现信号在芯片间的级联传播;SPI控制信号和直流供电采用了边缘馈入的网络。阵列的2D可扩展性正是通过边缘馈电、行波分配网络实现。传统的倍频产生太赫兹信号的方案会随着级联数目的增加而衰减,恶化大规模阵列中后级单元的太赫兹信号幅度,影响阵列整体的波束合成与控制效果。而注入锁定方案需要较大的注入功率来实现信号的锁定,效率较低。针对上述问题,我们采用亚采样三倍器的方案,实现大规模阵列中各个单元的信号幅度一致性,提高效率。同时,采用中频波束形成方案和紧凑的电磁融合设计来最小化LO/RF路径损耗,提高RF产生效率。在太赫兹频段,片外封装天线的方案会在芯片与封装天线之间引入较大的连接损耗,恶化阵列的辐射功率;传统的片上天线会占据较大的片上面积,难以实现半波长布局。针对上述问题,我们提出了小型化的、具有三重谐振模式的片上天线,大幅缩减片上面积的占用,提高面积效率,实现半波长布局,16单元阵列的尺寸仅为4.14 x 4.14mm2。该相控阵已在室内50米距离实现了1Gbit/s的实时数据传输,波束扫描角度可达±40°,扫描精度为10位。这项工作可以促进太赫兹高速无线通信技术进一步走向远距离、大容量、便携性的应用。更多还原