适用于未来 5G 网络的紧凑且可扩展的多输入多输出系统
东京工业大学的研究人员利用 65nm CMOS 技术开发出一款 28GHz 时分多输入多输出 (MIMO) 接收器，该接收器具有八个射频元件，每个元件仅占用 0.1 mm 2。这种创新设计减少了用于波束成形的芯片尺寸。该接收器在 64 正交幅度调制中实现了 -23.5 dB 误差矢量幅度，数据速率高达 9.6 Gbps，在已报道的 MIMO 接收器中具有最高的面积效率和最快的波束切换速度。为了满足视频流、增强现实、自动驾驶汽车和物联网设备等应用日益增长的数据需求，5G 新无线电和未来的超 5G 技术利用多波束、多输入多输出来同时发送和接收多条数据流。
有效 MIMO 操作的一个基本要素是波束成形。波束成形可调整信号，使其聚焦于发射器或接收器。此过程可提高信号质量并最大限度地减少干扰。然而，传统的模拟波束成形 MIMO 接收器需要为每个数据流配备单独的波束成形器，这使得在毫米波 MIMO 系统（如 28GHz MIMO 收发器）中实现它们具有挑战性，因为其中天线间距（天线之间的距离）仅为 5 毫米。
为了解决这个问题，东京工业大学的 Kenichi Okada 教授领导的研究人员提出了一种称为时分 MIMO (TD-MIMO) 波束形成器的新技术，该技术无需额外硬件即可支持毫米波 MIMO。该研究成果于6 月 16 日至 20 日在美国檀香山举行的2024 年 IEEE VLSI 技术与电路研讨会上发表
“传统毫米波 MIMO 接收器面临的主要挑战是，它们的面积和功耗会随着它们需要支持的 MIMO 流数量而线性增加。因此，芯片尺寸会随着 MIMO 流的数量而变化。因此，二维阵列从未演示过超过三个 MIMO 流，”Okada 解释道。
在 MIMO 系统中，每根天线通过射频 (RF) 路径网络与其他天线相连。这些路径的数量由 MIMO 流的数量乘以天线的数量决定。因此，增加数据流的数量会增加所需的 RF 路径。
TD-MIMO 接收器采用常见的 65nm CMOS 工艺制造，适合可扩展生产。PCB 有四层，底层集成了一个 1x8 天线阵列。图片来源：2024 年 IEEE VLSI 技术与电路研讨会
在 TD-MIMO 操作中，模拟波束形成器以极高的速度快速切换接收器的波束模式或方向，从而允许多个信号使用相同的 RF 路径。在波束形成过程之后，TD-MIMO 开关将每个 MIMO 流引导到单独的输出端口，确保信号不会相互干扰。
该系统采用快速切换移相器，可在 2.5 纳秒内调整信号相位，并采用基于时钟的同步来控制波束切换的时间。这种方法使 TD-MIMO 接收器只需增加时钟频率即可支持更多数据流，确保可扩展的数据传输，而无需增加芯片组的尺寸。
研究人员开发了一种 3mm x 2mm TD-MIMO 接收器，采用 65nm CMOS 技术，由 8 个 RF 元件组成，使用 64 正交幅度调制 (QAM) 处理 400MHz 信道带宽上的四个独立 5G 新无线电数据流。信号通过 Wilkinson 功率合成器传送到 TD-MIMO 开关，开关将它们分成四条路径。每个 RF 元件都配有一个降噪放大器和一个快速移相器。可变增益放大器和重定时电路通过确保切换准确进行来保持系统同步。
该接收器成功处理了来自 Keysight 任意波形发生器的 5G 兼容 MIMO 信号，这些信号通过四个方向的喇叭天线发射。它在 64-QAM 中实现了 -23.5 dB 的误差矢量幅度，并实现了 0.15 ns 的快速奈奎斯特速率波束切换时间，从而在四流 MIMO 配置中实现了高达 9.6 Gbps 的数据速率。
Okada 表示：“在列出的 MIMO 接收器中，这项工作实现了最高的数据速率和最高的面积效率。”由于每个 RF 元件仅占用 0.1 平方毫米，因此建议的芯片组可以为更小、更紧凑、更高效、可扩展的多波束 MIMO 系统铺平道路，以实现高速数据传输。
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