图1：（左）利用相位阵列无线器件实现波束成形。（右）比较此前使用波束成形无线器件的传输与新发射模块的传输。
NTT和东京工业大学在今年6月举行IEEE MTT-S国际微波研讨会(IMS)表示，在世界上首次成功利用“波束成形”技术，向接收终端所在的方向集中进行无线电能量发射，实现了300GHz频段高速无线数据传输。利用该技术，可以向移动的接收终端瞬间传送超大容量数据。
NTT和东京工业大学工学院电气电子系的冈田健一教授等人将各自开发的小型集成电路封装在同一印刷电路板上，成为发送模块，利用该模块取得了此次成果。今后，除了致力于扩大通信距离之外，还将开发不同使用用途的接收模块。目标是实现传输容量达到以往10倍以上的无线通信实用化。
据悉，2030年代的第六代通信(6G)能够实现利用300GHz频段电波的高速无线通信，300GHz频段的电波具有可以利用的频段较宽的优点，但同时也存在在空间传播时无线电损耗大的问题。
研究背景
在6G无线通信系统中，有望利用300GHz频段实现超高速无线通信，300GHz频段的优点是可使用较宽的频率范围。但另一方面，还面临着信号在空间传播过程中路径损耗较大的问题。人们正在研究波束成形技术来克服这个问题。
波束成形将无线电能量集中并引导至接收设备。5G无线系统使用的是28GHz和39GHz频段的无线电波，其中波束成形是通过CMOS集成电路实现的。另一方面，在300GHz频段，仅利用CMOS IC则输出功率不足。因此，世界各地研究人员正尝试将CMOS IC与具有高输出功率的III-V族化合物半导体IC相结合，以实现300GHz频段的波束成形。然而，III-V IC内部以及III-V IC与CMOS IC之间的连接中能量损失较大，从而导致高输出功率受阻，因此迄今为止，还没有通过波束成形实现高速无线数据传输。
研究成果
NTT开发了磷化铟(InP) IC，其中集成了NTT专有的高输出功率放大电路和天线电路。这是通过基于InP的异质结双极晶体管(InP HBT)技术实现的，这一技术为NTT专有。东京工业大学成功制造出大规模CMOS IC，可进行频率转换和电路控制。NTT和东京工业大学通过将CMOS IC和InP IC安装在同一印刷电路板上，开发出了一种紧凑型四元件相位阵列发射模块。该发射模块的操纵范围为36°，最大数据速率为30Gbps，通信距离为50cm，首次利用波束成形实现了300GHz频段的高速无线数据传输（图1）。
关键技术点
以下两项技术使波束成形和高速无线数据传输成为可能。
1. 设计300GHz频段高输出功率放大电路
NTT和东京工业大学设计了一种功率放大电路，可在300GHz频段实现高输出功率，并使用NTT专有的InP HBT技术实现了该电路的制造。对于功率放大电路，使用低损耗功率合成器合成多个放大元件的电功率输出，可实现高输出功率。该电路放大CMOS IC输出的信号，并利用封装在同一芯片上的天线将无线电波辐射到接收设备。NTT和东京工业大学的研究成果可向接收设备提供高速数据传输所需的高输出功率（图2）。
图2：新开发的300GHz频段相位阵列发射及传输实验。
2. 高频段低损耗安装技术
传统上，为了连接300GHz频段的不同类型的IC，每个IC都安装在波导模块上，然后再将模块连接在一起。然而，无线电波通过波导时，这种方法显示出能量损失问题。据称，NTT和东京工业大学的成果克服了这个问题，即通过倒装芯片接合CMOS IC和InP IC，并使用数十个微米大小的金属凸块将CMOS IC和InP IC连接起来。这种封装方法减少了连接损耗并实现了高输出功率（图3）。
图3：300GHz频段相位阵列发射分解图和芯片照片。
未来研究
未来，有望在6G网络中部署短距离移动通信设备。NTT和东京工业大学的技术有望扩展这些应用，例如交互式自助服务终端和家庭基站。所开发的技术证实了一维波束成形。NTT和东京工业大学正致力于利用2D阵列证实二维波束成形，并通过增加阵列数量来延长通信距离。还致力于开发接收器模块，以满足6G应用的需求，并在无线通信的实际运用中将传输容量扩大到当前的十倍。
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