美國哥倫比亞大學工程和應用科學學院的研究人員在使用現代半導體工藝研發不含磁體的單向器件方面取得新進展。他們在硅芯片上使用現代半導體工藝制造出首個能工作在毫米波頻率、不含磁鐵的單向環形器，實現環形器在傳統半導體芯片中的單片集成，及對全雙工或兩種無線通信方式的支持。

圖為25GHz全集成單向無源不含磁鐵45nm SOI CMOS環形器的芯片照片

研究背景

大多數器件都是雙向的，信號以相同的方式進行前向和后向傳輸。而環形器等單向器件的前向和后向信號能夠以不同的路徑穿越，以此實現隔離。傳統上，單向器件一直以不同的特定磁材料制造，使得其體積龐大、價格高昂，并因此不適用于消費類無線電子。

研究團隊

美國哥倫比亞大學電子工程副教授Harish Krishnaswamy領導的研究團隊與美國德州大學奧斯汀分校的Andrea Alu教授研究團隊共同開展該研究。Krishnaswamy的哥倫比亞高速和毫米波集成電路（CoSMIC）實驗室已有數年從事基于硅射頻芯片來實現全雙工通信的研究。他的方法支持無損、集成和超寬帶單向行為，理論上可從直流到日光，可用于制造一系列單向器件，如隔離器、回旋器和環形器。

前期工作

在今年2月召開的IEEE國際固態電路會議上，Krishnaswamy團隊展現了該首個基于硅芯片、可工作在毫米波（頻率接近和大于30GHz）的不含磁鐵、單向環路器。該研究工作的后續進展近期發表在《自然通信》上，揭示了新器件背后的物理原理。

核心突破

研究團隊研發出一個新的方式來支持微波的單向傳輸，使用細致定時的高速晶體管開關來規劃前向和后向微波信號的不同傳輸。這類似以超高速靠近的兩趟列車，在最終時刻調轉了方向以避免了碰撞。

該環形器基于時空電導調制。它使用了單向結構，物理特性根據流動方向而不同。在這種情況下，如下圖所示的雙環環形器的連接部分。該一對傳輸線，或者是直接連通，或者是交叉連通，由末端的開關決定。如果這部分的長度正好合適，一端的開關則與另一端呈90度異相，然后信號能夠以一個方向傳輸，而互相抵消另一個方向。

意義

該新方法的關鍵優勢是，可使用傳統半導體芯片制造該環形器，并工作在毫米波頻率，支持全雙工或兩種無線通信。事實上，現在所有電子器件都工作在半雙工模式的較低頻率（低于6GHz），因此很快就無頻帶可用。全雙工通信（接收機和發射機同時工作在相同頻率）可使現有頻段數據容量翻倍。而進入到更高毫米波頻率，如30GHz及以上，開啟了現在未曾使用的新帶寬。

應用

Krishnaswamy表示：“該毫米波環形器支持毫米波無線全雙工通信，這將為新興5G蜂窩網絡、虛擬現實的無線鏈路和自動雷達等領域帶來變革。”

例如，自動駕駛汽車需要低成本、全集成毫米波雷達。這些雷達在本質上需要全雙工，能夠與超聲和基于攝像頭的傳感器一同用于自動駕駛汽車，因為他們能夠工作在所有天氣環境，以及白天和夜間。

該環形器還可用于為VR頭盔實現毫米波全雙工無線鏈路，而現在是基于有線連接或連接至計算器件。Krishnaswamy說：“對于一個平滑的無線VR體驗，大量數據需要在計算機和頭盔間進行往復傳輸，要求低延時和雙向通信。由我們CMOS環路器所支持的毫米波全雙工接收機是一個有前景的解決方案，具有潛力實現更高速率傳輸、更低延遲、更小尺寸和更低成本。”

資金支持

該團隊的資金源包括美國國家科學基金會（NSF）研究和創新的新興前沿（EFRI）項目、美國國防先期研究計劃局（DARPA）的射頻信號處理（SPAR）項目，以及德州儀器公司。

下一步工作

目前的工作是進一步改進其環路器的線性和隔離性。

參考文獻

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

延伸閱讀

2016年4月，美國哥倫比亞大學領導的研究團隊在DARPA“商業時標陣列”項目的支持下，使用硅集成電路最常用的互補金屬氧化物半導體（CMOS）制造工藝，首次實現了環形器的微型化，以及與標準硅集成電路的單片集成。此次進展的詳細情況請移步于此。