东京工业大学的研究人员利用65nmCMOS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0.1mm2。这种创新设计减少了用于波束成形的尺寸。该接收器在64正交幅度调制中实现了-23.5dB误差矢量幅度，数据速率高达9.6Gbps，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28GHzMIMO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KenichiOkada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IEEEVLSI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，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。
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，而无需增加组的尺寸。
研究人员开发了一种3mmx2mmTD-MIMO接收器，采用65nmCMOS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-23.5dB的误差矢量幅度，并实现了0.15ns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9.6Gbps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。