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杭州电子科技大学“95后”副教授张志维自研毫米波功率放大器,这个领域有多卡脖子?

时间:2022-05-31 06:43:14 作者:刘于苇 阅读:
杭州电子科技大学一位“95后”博士张志维带领团队成功自研出了毫米波通信芯片,相比一般传统毫米波的通讯范围更大,达到了10公里。张志维主要研究方向是微波/毫米波功率放大器,也是我国半导体行业被卡脖子的领域之一……
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据浙江卫视@中国蓝新闻 报道,在杭州电子科技大学有一位“95后”博士张志维,年仅26岁就带领团队成功自研出了毫米波功率放大器,相比一般传统毫米波的通讯范围更大,达到了10公里。

对于这款毫米波芯片,张志维表示, “功率更高了,传输距离更大了,原来可能只有半个足球场那么大的覆盖面积,现在我们最新的实验结果能传十公里。(对)老百姓生活来说的话,比如你打(视频)电话的清晰度会更好,上网速率会更高。”

网友热议,关注重点已不在芯片上

目前这款芯片已经被应用在移动基站,实现卫星与地面基站、基站与基站间超大数据量的高速度传输。消息一经公布,瞬间引发了大量网友的高度关注:

甚至张志维的母校,杭州电子科技大学也发来“贺电”:

很多网友在祝贺、点赞张志维取得突破成果之余,对张志维26岁能当上副教授这事陷入了“深思”:

有人认为大厂给张志维开出60万年薪,并不是很高,之前互联网随随便便一个应届生40万+

也有人从学校角度出发,认为“教授的薪资太低了”

本科比赛失利立志研发芯片,硕博连读期间研究成果展示

张志维本硕博连读都在杭电,主要研究方向是微波/毫米波功率放大器,与5G/6G通信密切相关。决定研发芯片,要从他本科时的一段经历说起。

本科期间,一次参加竞赛,使用的芯片出现故障导致比赛失利。那时起,张志维心里便埋下了一颗研究芯片的种子。为了研发芯片,2020年他获国家留学基金委公派前往英国贝尔法斯特女王大学访学,海外学习期间每天坚持搞研究长达12小时。

2020年,张志维在导师程知群等人的指导下,在国际上首次提出混合EFJ功率放大器。

此前,Doherty功率放大器(DPA)由于结构简单、成本低,在被基站中被广泛应用。但是传统的DPA有一些固有缺点,例如:带宽狭窄,且只有6dB的output back-off范围。而张志维和团队提出的EFJ类功率放大器的负载阻抗,不仅有传统的连续功率放大器类似的可变虚部,还有不一致的实部。

所以EFJ类功率放大器可有效结合EF类功率放大器的高能效,以及连续J类功率放大器在特定条件下的大带宽,从而大大弥补了DPA的缺陷。

“我在国际上首次提出混合EFJ功率放大器,首次提出了阻抗频率调制的概念,这些在通信产品上都可以得以应用。”张志维围绕应用补充介绍道,“我们研发的芯片提供给中电科,助力其实现公里级毫米波高速通信。”

2021年,张志维和来自英国贝尔法斯特女王大学的Vincent Fusco等人在IEEE Transactions on Circuits and Systems II上发表了阻抗频率调制的研究成果论文。

这是一种设计多频段功率放大器的新方法:将一个耦合器作为放大器的输出电路,以实现多频段阻抗转换。

耦合器

通过结合获得的周期性阻抗轨迹和EFJ类功率放大器的阻抗空间,实现了实时获取所需的工作频率。

放弃大厂60万年薪offer,因喜欢校园“创芯”氛围

据介绍,毕业后的张志维已经拿到了大厂60万年薪的邀请,但他却放弃选择了留校任教,被学校聘为副教授,但他的目标是研发属于我国自己的“中国芯片”。 张志维称,他选择留校任教的原因是“因为喜欢校园自由且富有‘创芯’的氛围”。

据杭电2022年“十佳大学生”评选现场的宣传材料介绍,张志维在硕博连读的5年时间内,总共发表了19篇SCI论文,以第一作者身份发表的SCI论文超过10篇,其中9篇发表于美国电气与电子工程师协会(IEEE)期刊2篇IEEE Transactions on Circuits and System I, 2篇IEEE Transactions on Circuits and System II, 4篇IEEE Microwave and Wireless Components Letters

同时,张志维还曾经和英国皇家工程院院士Vincent Fusco教授合作研究,并发表了5篇SCI论文,该院士对他的评价是“张志维在微波毫米波功放领域的研究处于世界领先地位”。

虽然张志维在接受媒体采访中特意嘱咐 “不要提论文的具体数字”,因为曾经有同行提出“这么多论文有什么实际应用价值呢?有几篇文章能真正落地实现技术转移呢?” 的质疑。

果然文章发出后,还是有做同行同研究方向的网友质疑:“这哥们水了很多论文,而只有一篇业内顶刊,不知道的人吓一跳。”

也有网友认为“现在高校就是对论文友好,不看重工程”。

对此张志维的看法是,“在我的研究领域,一般是先提出一个想法,然后通过仿真、实验、产品、测试,最后的呈现就是论文。这样发表的论文大多是建立在成熟产品之上,不存在闭门造车写论文的情况。”

张志维的导师、杭电新型半导体器件与电路团队负责人程知群教授也表示,5G/6G通信功率放大器芯片,是卡脖子难题,需要解决的性能包括效率、线性度、带宽等。“张志维在这些领域的研究很扎实,还很敏锐,既能提出解决办法,又能付诸实施。他的研究在学术和工程上都具有前沿性,发高质量论文和做出能应用的芯片产品,也就水到渠成。”

PA领域有多卡脖子?

射频前端是基站/移动终端的核心部件之一,用于实现通信信号的合路、过滤、消除干扰、放大等。其主要器件包括滤波器(Filter),功率放大器(PA),低噪声放大器(LNA)、开关(Switch)及双工器(Duplexer)。

资料来源:头豹研究院

由于射频发收器中调制振荡电路所产生的射频信号功率较小,需经过一系列的放大(缓冲放大器、可控放大器、末级放大器)获得足够的射频功率后,传输至天线上。功率放大器负责将发射通道的射频信号放大,主要应用于手机终端、通信基站、物联网设备、军事气象雷达等领域,这也是张志维的主要研究方向。

资料来源:头豹研究院

目前,先进5G通信功率放大器技术还被第一梯队的Skyworks、Qorvo、Broadcom,以及第二梯队的Qualcomm、Murata、Infineon等国外大厂垄断。Skyworks、Qorvo和Broadcom为全球功率放大器龙头,根据彭博资讯数据,三家公司在2020年的全球市占率分别达20%、23%和24%。其中,Skyworks和Qorvo的功率放大器业务采用IDM模式,博通的功率放大器业务采用Fabless模式。

虽然华为海思积极加入,也是目前国内唯一能生产出5G射频器件的厂商,但仍处于第二梯队。第二梯队厂商虽然具备5G射频器件工艺,但射频器件产品覆盖面小于第一梯队企业,且射频器件收入在企业总收入的占比小于第一梯队的企业。

资料来源:Yole,Technavio,中金公司研究部

在第三梯队则有不少中国厂商,包括昂瑞微、维捷创芯(Vanchip)、紫光展锐、慧智微等,工艺仍停留在4G阶段,不具备5G射频功率放大器工艺。在这之外,还有中科汉天下、中普微、国民飞骧等一系列厂商,虽然技术产品各有特色,但产业集中度不够高,研发实力较为分散。有媒体曾报道,甚至少数企业已将自己生产的5G射频器件送至华为实验室验证时,华为发现系盗用国外射频器件并宣称是自主研发,因此国内有实力研发生产5G射频器件的仍为少数。

此外,从国内外射频前端公司的产品能力来看,一二梯队的海外大厂普遍较为全面:

X代表具备相关技术(资料来源:Yole,Strategy Analytics,各公司官网,中金公司研究部)

从工艺上来说,射频器件多采用化合物半导体晶圆,其晶圆制造的难度高于硅晶圆。中国当前主流的射频工艺为GaAs工艺,由于GaAs工艺具备高频、高功率的特点,是4G时代的行业主导,在市场上的份额逐年提升,替代传统硅CMOS工艺的逻辑已得到市场验证。但是,GaAs工艺生产的射频器件功率达不到5G对射频器件的要求。所以预计未来,5G射频器件将会转向频率更高、功率更高的GaN工艺,中国大陆在化合物半导体晶圆制造领域也较为薄弱,产能严重不足,也从侧面拖累了射频器件设计厂商的研发进度。

由于射频前端工艺属于细分赛道,PA模组化趋势日益加强,集成度较高的PAMiD模组成为旗舰手机标配(iPhone和安卓旗舰机);部分手机采用外挂PA+FEMiD模组方案(OVM部分机型如红米);中低阶机型则仍有一定比例使用低集成度的PAM(PA模组包括各个频段和制式的PA)模组。因此我们认为,未来射频前端市场仍由IDM厂商主导,中国大陆当前缺少优质IDM厂商。所以大陆射频器件设计厂商主要与中国台湾晶圆代工厂合作,中间的沟通及协调成本较大。

目前,张志维和团队正在研究毫米波通信芯片3.0版本的技术迭代。对于未来,他表示:“我想首先要做一个传道授业的好老师,尽心培养新一代的集成电路人才。科研工作者要有10年甘坐冷板凳的精神,才能产出原创性的科研成果。我希望(以后)我们的研究成果,能够(完全)实现国产化的芯片替代。”

本文内容参考杭州电子科技大学、浙江卫视@中国蓝新闻、钱江晚报、快科技、IT之家、澎湃新闻、中国科学、西南证券、头豹研究院、中金公司报道

责编:Luffy
  • 文章不是说用的信号调制实现的?
  • 现在学校也有钱搞芯片流片了?一直以为学校大都停留在学术研究阶段。。。
  • 谁告诉你只是提高发射功率?即使单纯只提高发射功率,那为什么别人提高不了了呢?
  • 提高传输距离只有几种方法:1.提高发射功率 2. 提高接收灵敏度 3.调制方式
  • 應該把條件列出來,基於何種基帶信號 做到多好,重點是現代PA的可數字化能力要能結合射頻芯片載台.
  • 还以为是什么重大原始突破,原来就是靠提高发射功率 实现远远距离覆盖,这得多耗电啊
  • 细节肯定不让说的,现在查的很严,有泄密风险
  • 我就想知道具体哪里突破了,这个很重要,不是随便说说的。
刘于苇
电子工程专辑(EETimes China)副主分析师。
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