Abstract:

Invited by Prof. Guoxing Wang, Doctor Shunli Ma of School of Microelectronics，Fudan University visited BiCASL. He prepared an interesting and humorous talk on Phased Array Radar.

简介：马顺利老师目前在复旦大学微电子学院工作（助理教授），主要研究领域包括太赫兹雷达相控阵成像与通信芯片技术，发表了包括CICC, ESSCIRC, ASSCC, RFIC, TMTT, TVLSI, TCAS-I等在内的30多篇论文。工业界实现量产的77-GHz和60-GHz FMCW 锁相环，目前主要研究相控阵的芯片技术（发射机，接收机，锁相环等）以及新型的二维柔性集成电路设计。

随着5G技术的成熟与普及，6G研究已提上各国日程，将会推动包括传感、通信、处理等多方面芯片技术的变革。据来自芬兰奥鲁大学的Matti Latva-aho教授所制定的世界第一个6G白皮书报告当今普及的智能手机在6G时代将会消失，取而代之的是一系列具有XR特性的智能眼镜、微型机器人、无人机等无处不在的多种形式的轻型可穿戴、移动设备，以前所未有的高清分辨率，帧率以及动态范围，综合利用虚拟现实、增强现实、混合现实、替代现实、影像现实等多种技术，为用户提供身临其境的沉浸式体验。而这样一个时代的来临，依赖于人均1Tbps量级的数据传输与处理。如此巨大的数据传输需求，促使无线通讯技术进军太赫兹频谱领域。而太赫兹无线传输的实现，依赖最新毫米波无线传输芯片技术的突破。

马老师以近两年来ISSCC上有关毫米波雷达成像与通信的最前沿芯片技术为切入点，在相控阵天线设计与波束成形两个方面以包括氮化镓/砷化镓器件建模、CMOS太赫兹无线收发机、高速ADC等例子对毫米波雷达通信领域的关键技术进行了深入浅出的讲解。相控阵雷达（Phased Array Radar，PAR）即相位控制电子扫描阵列雷达，利用大量个别控制的小型天线单元排列成天线阵面，每个天线单元都由独立的移相开关控制，通过控制各天线单元发射的相位，就能合成不同相位波束。相控阵各天线单元发射的电磁波以干涉原理合成一个接近笔直的雷达主瓣，以实现数据尤其是室内短距以及卫星长距高数传输。该阵列由多个传感单元构成，一个传感单元包括接收、发射的天线与RF芯片构成。

如上图所示，右侧天线阵列中每一个正方形格的天线单元由外缘灰色为发射天线和方格中心的深色区域为接收天线构成。在对应的RF调制、相移、功放控制下，发射天线发送具有一定相位的毫米雷达波，然后返回回来的波，通过接收天线、低噪声放大器、解调器实现数据回传。在3D波束成像时，各个传感单元依次发送、接收，通过对各个单元发送的毫米波相位加以控制，从而实现特定波束的雷达。其中相移器是波束成形的关键。所以在介绍完相控雷达技术的基本原理以及芯片系统后，马老师随后又对相移器的最新进展做了讲解。

马老师指出，目前实现相位控制可以通过模拟或者数字的方式进行实现。对于模拟波形成束，每个单独的天线需要利用各自独立的相移器，对所接收或发射的信号进行相移和放大，然后在ADC转换前将来自各个天线的信号合成。模拟波束成形技术成本低，技术成熟，但一个阵列只能处理和产生一个波束。数字波形成束技术中，在传输端，进入DAC之前的正/余弦数字流被上变频编码，从而实现发射波形的相位或者幅值变化；在接收端，被ADC采样输出的数字流通过数字下变频实现解码。数字波形成束可以实现一个阵列的多波束成形，但由于需要高速高精度的ADC阵列，其成本高、功耗大。马老师强调，数字与模拟混合波形成束技术，结合两者优点，应用越来越广泛。

虽短短的一个小时，马顺利老师风趣幽默的讲解，简洁清晰的报告，深入浅出的总结展望，引起BiCASL各位同学以及老师们的浓厚兴趣，让大家对雷达领域的最前沿进展有了前瞻性的了解，和较为独特的理解。随后经过多轮热情飞扬的Q&A，对ADC的校准技术的难点，后摩尔时代新型器件的产业化研究，雷达传感中调制方式优缺点等方面进行了深入的探讨。最后，马老师与BiCASL的各位老师在微电子学院大楼前进行了合影留念。本次学术交流圆满落幕。