太赫兹日本电报电话公司和东京工业...

太赫兹日本电报电话公司和东京工业...
日本电报电话公司（NTT）和东京工业大学联合开发出超高速无线射频前端用集成电路，能够工作在太赫兹频段，而且在300GHz频段取得了世界最快的无线传输速率——100Gbps。

研究成果发表在6月10～15日美国费城召开的2018 IEEE MTT-S国际微波研讨会上。

研究背景
随着宽带网络的普及，可实现100Gbps的大容量无线传输技术引发全球关注，如图1所示。

有三种方法可以增加无线传输容量——扩展传输带宽、增加调制电平数量、增加空间复用的信道数量。

为了实现从400Gbps到1Tbps的未来高速无线传输技术，需要一个载波来同时拓展传输带宽和调制电平数量，以及通过多次叠加来增加空间复用的信道数量。

图1 大容量无线传输技术的发展
面临挑战
使用现阶段所开发的载波频率（从28GHz到100GHz），传输带宽受限。

因此，研究人员正尝试扩展传输带宽，从300GHz到太赫兹频段。

300GHz的频率至少是5G下一代通信技术用的28GHz的10倍，也更容易保障宽带传输的安全。

另一方面，由于这么高的传输频率，集成电路和外设端口间往往出现信号泄露，因此很难获得足够高的信噪比（SNR）。

因此，即使使用300GHz频段，也不太可能同时取得宽带传输和高调制电平数。

到目前为止，无线传输仍然停留在数十Gbps。

研究成果
研究人员研发出来了享有知识产权的高隔离设计，并将该技术用于300GHz频段无线前端中负责频率转换的混频器电路，如图2所示，还研制出了使用磷化铟（InP）高电子迁移率晶体管（HEMT）。

图2 300GHz无线前端的结构
技术核心
混频器有三个端口：本地振荡器频率端口（LO）、射频端口（RF）
和中频端口（IF）。

当工作在非常高的太赫兹频段，由于在混频器电路和外部接口间小寄生电容的影响，在端口间非常容易出现信号泄露。

通过增加四分之一波长传输线和串联电容，研究人员研制出一个独特的设计，能够显著改进端口间的隔离度。

以这种方式实现的高隔离特性不仅能够改进信噪比，还可以阻止当混频器集成电路安装到模块中频率特性的退化。

结果是，研究人员同时获得了无线前端模块所需的宽带特性和高信噪比特性。

测试结果
通过使用这些技术，研究人员实现了300GHz频段无线前端模块，如图3所示，并确认在背对背传输中接收到了良好的16QAM信号，如图4所示。

在300GHz频段，传输速度达到全球最高的100Gbps，如图5所示。

图3 混频器IC和模块
图4 背对背传输中的接收星座
图5 传输实验
下一步工作和前景
由于100Gbps无线传输速率仅由一个载波实现，未来将拓展到多个载波，以及使用MIMO和OAM等空间复用技术。

通过这种组合，可以预期超高速集成电路将支持超过400Gpbs的大容量无线传输，将是现有LTE和WiFi移动通信技术数据传输速率的400倍，是下一代5G技术的40倍。

该技术预期将开启通信和非通信领域未使用的太赫兹频段的使用，例如成像和传感。

NTT表示，希望能带来使用超高速集成电路的新服务和产业，并进一步推进技术发展。

资金支持
该工作由日本总务省（Ministry of Internal Affairs and Communications）亚太赫兹频段数十Gbit无线通信技术研究项目提供部分支持。