哥伦比亚大学研制出可工作在25GHz的硅基单片集成环形器，不再使用磁铁

美国哥伦比亚大学工程和应用科学学院的研究人员在使用现代半导体工艺研发不含磁体的单向器件方面取得新进展。他们在硅芯片上使用现代半导体工艺制造出首个能工作在毫米波频率、不含磁铁的单向环形器，实现环形器在传统半导体芯片中的单片集成，及对全双工或两种无线通信方式的支持。

图为25GHz全集成单向无源不含磁铁45nm SOI CMOS环形器的芯片照片

研究背景

大多数器件都是双向的，信号以相同的方式进行前向和后向传输。而环形器等单向器件的前向和后向信号能够以不同的路径穿越，以此实现隔离。传统上，单向器件一直以不同的特定磁材料制造，使得其体积庞大、价格高昂，并因此不适用于消费类无线电子。

研究团队

美国哥伦比亚大学电子工程副教授Harish Krishnaswamy领导的研究团队与美国德州大学奥斯汀分校的Andrea Alu教授研究团队共同开展该研究。Krishnaswamy的哥伦比亚高速和毫米波集成电路（CoSMIC）实验室已有数年从事基于硅射频芯片来实现全双工通信的研究。他的方法支持无损、集成和超宽带单向行为，理论上可从直流到日光，可用于制造一系列单向器件，如隔离器、回旋器和环形器。

前期工作

在今年2月召开的IEEE国际固态电路会议上，Krishnaswamy团队展现了该首个基于硅芯片、可工作在毫米波（频率接近和大于30GHz）的不含磁铁、单向环路器。该研究工作的后续进展近期发表在《自然通信》上，揭示了新器件背后的物理原理。

核心突破

研究团队研发出一个新的方式来支持微波的单向传输，使用细致定时的高速晶体管开关来规划前向和后向微波信号的不同传输。这类似以超高速靠近的两趟列车，在最终时刻调转了方向以避免了碰撞。

该环形器基于时空电导调制。它使用了单向结构，物理特性根据流动方向而不同。在这种情况下，如下图所示的双环环形器的连接部分。该一对传输线，或者是直接连通，或者是交叉连通，由末端的开关决定。如果这部分的长度正好合适，一端的开关则与另一端呈90度异相，然后信号能够以一个方向传输，而互相抵消另一个方向。

意义

该新方法的关键优势是，可使用传统半导体芯片制造该环形器，并工作在毫米波频率，支持全双工或两种无线通信。事实上，现在所有电子器件都工作在半双工模式的较低频率（低于6GHz），因此很快就无频带可用。全双工通信（接收机和发射机同时工作在相同频率）可使现有频段数据容量翻倍。而进入到更高毫米波频率，如30GHz及以上，开启了现在未曾使用的新带宽。

应用

Krishnaswamy表示：“该毫米波环形器支持毫米波无线全双工通信，这将为新兴5G蜂窝网络、虚拟现实的无线链路和自动雷达等领域带来变革。”

例如，自动驾驶汽车需要低成本、全集成毫米波雷达。这些雷达在本质上需要全双工，能够与超声和基于摄像头的传感器一同用于自动驾驶汽车，因为他们能够工作在所有天气环境，以及白天和夜间。

该环形器还可用于为VR头盔实现毫米波全双工无线链路，而现在是基于有线连接或连接至计算器件。Krishnaswamy说：“对于一个平滑的无线VR体验，大量数据需要在计算机和头盔间进行往复传输，要求低延时和双向通信。由我们CMOS环路器所支持的毫米波全双工接收机是一个有前景的解决方案，具有潜力实现更高速率传输、更低延迟、更小尺寸和更低成本。”

资金支持

该团队的资金源包括美国国家科学基金会（NSF）研究和创新的新兴前沿（EFRI）项目、美国国防先期研究计划局（DARPA）的射频信号处理（SPAR）项目，以及德州仪器公司。

下一步工作

目前的工作是进一步改进其环路器的线性和隔离性。

参考文献

Tolga Dinc, Mykhailo Tymchenko, Aravind Nagulu, Dimitrios Sounas, Andrea Alu, Harish Krishnaswamy. Synchronized conductivity modulation to realize broadband lossless magnetic-free non-reciprocity. Nature Communications, 2017; 8 (1) DOI:10.1038/s41467-017-00798-9

延伸阅读

2016年4月，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，首次实现了环形器的微型化，以及与标准硅集成电路的单片集成。此次进展的详细情况请移步于此。