国内首个！自研CMOS毫米波相控阵，这家成都高科技企业突破了什么？

近期，在融资日益困难的当下，微波、毫米波相控阵芯片和天线的领军企业：成都天锐星通科技有限公司完成新一轮E+轮融资，由德诺资本参与投资，助力其巩固相控阵技术领域的领军地位。成立于2013年的天锐星通，参与研发的相控阵终端曾在神舟十三号载人飞船的返回过程中发挥了至关重要的作用，为飞船提供了可靠的通信保障。
 
这家公司在国内的毫米波相控阵技术领域有哪些突破，填补了国内空白？5月28日，在是德科技年度盛会上，东南大学教授、天锐星通首席科学家赵涤燹分享了5G毫米波通信最新应用进展，以及5G毫米波在部署中毫米波相控阵技术如何解决无线覆盖的痛点问题，并且重点阐述了国内首个自研毫米波相控阵芯片和天线的方案。
 
5G毫米波通信三大优势，典型应用囊括卫星通信和低空经济场景
 
随着卫星通信、低空经济和沉浸式XR通信的兴起，5G毫米波技术在这些新型应用领域有广阔的应用前景。毫米波通信主要覆盖在30到300GH频段，5G毫米波频段比较高，现在在Ku/Ka频段卫星通信可以使用。

5G毫米波牌照也在逐步开放中，5G毫米波第一大优势就是频谱资源丰富，对于通信来说支撑很大的数据流量，对于雷达系统来说，它也有很好的雷达识别精度。毫米波第二大优势是工作频率高，频率越高天线尺寸越短，毫米波可以支持系统的小型化。
 
2023年6月ITU发布6G愿景，ITU的建议书提出面向2030及未来的6G系统将推动实现包容性、泛在连接、可持续性、创新、安全性、隐私性和弹性、标准化和互操作、互通信等七大目标。赵涤燹表示，与5G毫米波相关的包括沉浸式通信，包括沉浸式XR通信、远程多感官远程呈现和全息通信。沉浸式通信的游戏，数据量特别大，5G毫米波支持AR、VR场景，可以更加轻松地、更生活化的呈现出来。
 
第三大优势对于超大规模连接支持。以往超大规模连接支持多指物联网的窄带通信，但是5G毫米波带宽有优势，相控阵阵列大，对于数据流量不大的一些通信，用带宽换阵列的尺寸，把天线尺寸可以做得很小。比如电力、石油开发场景下需要卫星通信，数据流量不大，需要的卫星节点多，这些应用场景中5G毫米波具备优势。泛在连接，应用在卫星通信和低空经济领域，卫星通信整个宽带都在毫米波波段，低空经济包括通感一体、天地一体化通信的基站也需要毫米波的支持。
 
布局毫米波相控阵技术，解决毫米波传输痛点
 
大规模的相控阵是解决毫米波无线传播距离受限的核心关键技术。相控阵是一个电磁波接收发射系统，电磁波的频率越高、波长越短，其天线单元也就越小，在同样的面积下就可以容纳更多的天线。天线一多，密密麻麻地排成一个方阵，就组成了天线阵列。
 
赵涤燹指出，天锐星通布局毫米波相控阵技术领域，原理是利用多个天线发射无线电磁波，无线电磁波在空间进行合成，来聚焦波束，增大输出功率的效果，它可以弥补毫米波覆盖能力的不足。以一个6厘米×6厘米的方块为例，如果我们在3GHz频段放天线，它只能放一个天线，它发送的波速就相对比较有限，波速在空间的损耗比较大；如果在30Hz频段，在同样的面积下，我可以放100个天线，这100个天线它的空间波速就可以聚焦，可以形成1个非常好的定向波束来定向发送功率，起到远距离覆盖的一个效果。
 
毫米波相控阵具备两大优势：一、实现远距离覆盖。高频段波长短，天线尺寸小，频率提升N倍时，在发射和接收端均配置N×N的阵列天线，实现高增益和窄波束，提高等效辐射功率和接收灵敏度，增大传输距离。例如：频率升高10倍，FSPL升高20dB；假设频率升高后PA和LNA参数不变，收发均使用10×10的阵列天线，每个天线接1个PA/LNA，总共获得60dB的链路增益，比低频天线额外多出40dB的增益。这也是为什么在Ku频段和Ka频段使用5G毫米波，需要毫米波在卫星通信领域实现宽带、远距离传输。
 
二、二维高速电扫描，调节每个天线单元的信号相位控制波束方向，相控阵电扫描可以将各通道信号相干叠加，同时实现空分复用。为了实现高速电扫描，相控阵是唯一的手段。
 
推出CMOS工艺的毫米波相控阵芯片和天线，应用场景不断扩展
 
2020年初，天锐星通与网络通信与安全紫金山实验室合作，研制出了CMOS全集成4通道毫米波相控阵芯片，将每通道的成本由1000元降至20元左右，实现了中国在该项技术上的突破。
 
赵涤燹表示，天锐星通推出了高性能低成本毫米波相控阵，此相控阵基于可大批量生产的CMOS工艺和多层混压PCB工艺。毫米波相控阵以天锐星通自行研制的多通道硅基CMOS多功能全集成芯片为基础，集成1024天线单元，256颗CMOS相控阵芯片，功率分配网络、电源、数字连线以及电源和波束管理模块。Ka频段1024/1560单元，Ku频段768单元标准阵面+定制化阵面。

他介绍一款适用30Hz，用于Ka卫星通信的5G毫米波8通道相控阵芯片，芯片里面集成驱动放大器DA、功率放大器PA、移相器PS和衰减器ATT，内置SPI、功率检测、温度检测模块。单通道的功率增益达到20dB以上。此外，天锐星通还推出了16通道的5G毫米波频段的相控阵芯片和天线，2023年天锐星通还推出了Q、W频段硅基CMOS相控阵芯片。天锐星通在硅基毫米波相控芯片方向取得突破，实现批量生产，性能国际同步。
 
据悉，天锐星通和中国联通合作，完成推出了“高国产化率毫米波室内分布式基站”，去年荣获了2022年度信息通信领域的十大科技进展。
 
CMOS毫米波芯片与大规模集成相控阵已经在规模性的推广应用了，成果已经在车载、船载、无人机卫星通信领域和毫米波5G领域得到规模性应用。赵涤燹介绍说，天锐星通将毫米波技术应用在低空经济中。比如在无人机载远距离毫米波回传接入一体化系统，此系统首次引入5G、6G NTN非地面网络技术，构建毫米波接入回传一体化系统，实现超远距、低时延和强抗干扰的无人机提供无线接入覆盖，接入数据通过光交换机传送给机载端回传AAU，通过单跳，或者两跳无线远距离回传。
 
据悉，天锐星通以自研CMOS相控阵芯片为核心构建相控阵天线，突破大规模毫米波相控阵集成技术和窄波束精确快速对准技术，研制全套定制化毫米波通信设备，实现毫米波通信距离量级提升。
 
此外，天锐星通推出了“国内首台套”— Ka频段卫通平板相控阵天线子阵产品，是面向高通量卫星、低轨宽带卫星通信的迫切需求研制，可在动中通的车载、船载、机载、便携等平台上应用，为用户提供优质高效的卫星通信网络。

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