為6G鋪路 CEA-Leti展示D波段RF架構

作者 : Nitin Dahad,EE Times歐洲特派記者

頻段範圍從20GHz到300GHz的毫米波無線通訊,因為有龐大頻寬資源可支援超高資料傳輸速率,被預期是實現6G無線系統的關鍵技術。在毫米波頻段範圍內,CEA-Leti專注於研究D頻段,也就是可能在6G無線通訊扮演要角的140GHz頻段。

 法國的技術研究機構CEA-Leti展示了採用簡易混合訊號RF架構,實現在140GHz頻率達到100Gbps傳輸速率──該機構正在110GHz至170GHz範圍的所謂「D波段」(D-band)頻譜上開展技術藍圖,以著墨「超越5G」的應用以及6G通訊。

頻段範圍從20GHz到300GHz的毫米波(mmWave)無線通訊,因為有龐大頻寬資源可支援超高資料傳輸速率,被預期是實現6G無線系統的關鍵技術。在毫米波頻段範圍內,CEA-Leti專注於研究D頻段,也就是可能在6G無線通訊扮演要角的140GHz頻段。

CEA-Leti和法國工程公司Siradel在一篇原定於3月舉行(後來取消)之6G無線高峰會(6G Wireless Summit)發表、題為「超越5G無線連結的D波段技術藍圖」(Technology Roadmap for Beyond 5G Wireless Connectivity in D-band)的論文中提到,他們的研究人員正在考慮幾種超越5G的應用,包括高容量骨幹網路(high-capacity backhaul)、強化熱點終端機(hot-spot kiosks)和短距離裝置對裝置通訊。這些應用對資料傳輸速度的需求──通常每單元(cell)或鏈路(link)速率大於100 Gbps──已超越了5G通訊能力,並且不受sub-THz頻段主要限制的影響。

該論文概述了那些潛在應用與實現它們所面臨的挑戰,還介紹了新頻譜的應用場景,並且探討了應用場景需求之間的權衡,以及目前建構6G技術藍圖的晶片技術限制。

該論文作者之一,CEA-Leti科學家Jean-Baptiste Doré接受《EE Times》採訪時,回答了關於晶片技術限制的問題:「利用CMOS製程,我們仍然可以為D波段的低頻部分設計晶片組,但目前我們已經處於CMOS在這些頻率下所能達到的物理極限;」因為CMOS技術無法製造sub-THz應用所需的最大電晶體頻率元件,CEA-Leti一直在研究針對這些應用所採用的創新架構來最佳化RF電路設計,以及新材料和元件,以滿足D波段與更高頻率的需求。

 

圖1:安裝在D波段發射陣列焦點源(focal source)背面的天線驅動IC

(圖片來源:CEA-Leti

 

他補充指出:「D波段無線通訊面臨的挑戰包括自由空間電波傳播損耗(wave-propagation losses),這種損耗會按照頻率平方的比例而增加,必須使用高增益天線來補償,而這為天線的方向性和校準帶來了嚴格的限制。」

這些限制因素包括對sub-THz電波傳播的實體障礙,例如被牆壁、樹木甚至窗戶阻擋,或大幅度衰減。即使在通暢的傳播路徑中,也仍然需要高增益天線;為了因應此一挑戰,CEA-Leti正在設計具有高指向性和電子可操縱性的先進天線。

這些支援6G的關鍵技術設計已經展開,包括研究sub-THz頻段需要採用的新材料和元件、強化型RF CMOS架構和天線系統,以及高性能的數位處理。Doré表示:「Leti目前正在探索整合RF晶片組和天線設計的技術藍圖。我們正在研究可整合CMOS的sub-THz頻段新技術,已開始進行天線和晶片組的設計;」而且他們正在探索以系統級晶片和/或系統級封裝實現異質整合。

 

圖2:CEA-Leti利用頻道綁定(channel bonding)架構展示了D波段100Gbps速率傳輸。

(圖片來源:CEA-Leti)

 

「對於裝置對裝置通訊,我們已經證明了利用空間多工和簡單的RF架構即可實現數Gbps等級的傳輸量;」Doré表示:「我們的主要研究成果是,利用擬定的混合訊號、類比和數位技術,電晶體傳輸的所需功率被限制在微瓦級(10 ^ -6 Watts),這為我們採用CMOS技術提供了可能性。」

CEA-Leti表示,140GHz通訊已在進行現場試驗,目前正努力尋找能夠滿足高性能和低成本要求的整合式模組。Doré指出:「我們已經有一些合作夥伴,還在尋找更多的資金支援以繼續開發這項技術;」不過他婉拒透露合作夥伴的細節,僅提及其中有一家是知名半導體廠商。

 

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年7月號

 

(參考原文:CEA-Leti Demos D-band RF Architecture for 6G Roadmap,ByNitin Dahad)

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