近日，上海交通大学集成电路学院（信息与电子工程学院）周林杰教授、陆梁军教授团队联合华为技术有限公司无线技术实验室，围绕5G/6G宽带无线通信发展需求，提出了一种基于硅基光学真延迟线芯片的全连接微波光子多波束形成架构，并进行外场无线通信实验验证。该方案能够规避波束斜视问题，同时支持波束指向快速切换和多波束独立调控。相关成果以“Fully-connected microwave photonic multi-beamformer with fast beam-steering for broadband wireless communication”为题发表在《Nature Communications》（自然-通讯）期刊上。

研究背景

面向5G/6G宽带无线通信，波束成形技术是提升频谱利用率、抑制干扰、增强通信信号强度的核心技术，新一代通信系统对波束成形提出了多重硬性要求。首先设备需要兼容多类通信频段，适配不同场景的频谱分配；其次波束切换速度必须达到纳秒级别，波束重构超时会直接造成通信符号失真；同时系统要支持超宽瞬时带宽，解决宽带传输时的波束斜视问题，还要具备多波束并行发射能力，满足高密度城区多用户同时接入的需求。传统电子波束成形分为部分连接与全连接两种结构，部分连接方案中每根天线单元仅能参与单波束合成，天线利用率低、波束增益弱、波束宽度大；电子全连接架构虽然理论增益更高，但大规模拓展后射频通道电磁串扰严重，电路隔离度不足会劣化信号质量，且射频前端多为窄带设计，实现多频段兼容需要复杂、高功耗的可调器件。微波光子波束成形本身具备抗电磁干扰、天然适配多频段、可无缝对接C-RAN光纤前传的优势。现有技术难以同时兼顾全连接架构、无斜视宽带、纳秒级快速波束切换、独立多波束传输四大核心能力，因此，亟需全新的硅基微波光子多波束成形方案支撑下一代宽带无线通信发展需求。

图1 无线通信系统中的波束形成网络方案：（a）部分连接的电子波束形成网络；（b）完全连接的电子波束形成网络；（c）基于光学相位移器的微波光子波束形成网络；（d）基于光学延迟线的微波光子波束形成网络

研究内容

研究团队所提出的全连接微波光子多波束形成架构在中央单元将多路射频信号分别调制到不同波长的光信号上，经波分复用器后合并为一路多波长光信号经光纤送达远端射频拉远单元。远端解复用后，每个波长信号均被均匀分配至所有天线支路，通过硅基光学真延迟线芯片独立调控通道间延迟差，最终经波分复用器合并后转换为微波信号，由同一相控阵天线发射。该架构让每个波束的发射使用全部阵元，几乎完全消除电学多波束形成网络中的通道间串扰问题，支持多频段微波信号，并且从原理上避免了移相方案存在的波束斜视问题。

图2 宽带无线通信的微波光子全连接波束形成网络架构：（a）微波光子全连接波束形成网络的示意图；（b）制造的芯片的显微镜照片；（c）封装后芯片的照片

全连接微波光子波束形成网络架构中的光学真延迟线芯片在1555 nm波长处，测试得到所有64个延迟状态的插入损耗均低于10.0 dB。延迟切换时间约60 ns，可满足无线通信中的波束指向高速切换需求。群延迟响应平坦，所有状态延迟误差小于0.6 ps，展现出高精度的延迟量调节能力，为宽带波束指向调控提供了可靠保障。

图3  光学真延迟线的性能：（a）8路光学真延迟线在1555 nm处的插入损耗；（b）光学真延迟线的状态切换时间；（c）在可调光衰减器开启时，第一通道通道光学真延迟线64个延迟状态的群延迟响应；（d）8路光学真延迟线所有延迟状态的延迟误差统计

研究团队在微波暗室内搭建了8阵元相控阵波束方向图测试系统，利用光学真延迟线芯片精确控制通道间延迟差，实验装置及结果如图4所示。基于实测延迟量的波束方向图仿真显示，在固定的通道间延迟差下，12/20/30/40GHz多个频率的波束主瓣均指向同一方向，无波束斜视现象发生；12.4–13.6 GHz频率范围的暗室内微波波束方向图实测结果表明，通过调节通道间延迟差可实现多角度波束扫描，实测方向图与理论预期吻合，验证了该芯片对宽带波束指向的精确控制能力。

图4 微波光子波束转向实验：（a）波束方向图测量的实验装置；（b）微波暗室内完整实验装置的照片；（c）偏转角度为 23.2°的仿真波束方向图，工作频率为 12、20、30、40 GHz；（d）在 12.4–13.6 GHz频率范围内，偏转角度为 0°时的实测波束方向图；（e）在 12.4–13.6 GHz频率范围内，偏转角度分别为±7.4°、±22.6°和 ±50.3°时的实测波束方向图

全连接微波光子多波束无线通信实验中，利用两路波长不同的光信号实现了双波束发射，所有天线阵元均参与每个波束的合成，实验装置及结果如图5所示。相较于部分连接方案，研究提出的架构使得接收无线信号功率提升了2.9 dB。在20 m室外无线传输实验中，所发射的具有400 MHz带宽的64QAM信号的误差矢量幅度为7.6%，这验证了全连接微波光子多波束形成方案对无线宽带信号的优质定向传输能力。

图5 微波光子多波束无线通信实验：（a）微波光子多波束无线通信实验系统；（b）部分连接与全连接架构的结构示意图；（c）在30.8°方向上用户端接收到的射频信号功率测量结果；（d）下行链路 64QAM（带宽：400 MHz）信号的星座图，误差矢量幅度为7.6%

论文作者信息

上海交通大学集成电路学院（信息与电子工程学院）博士毕业生倪子恒为第一作者，陆梁军教授、周林杰教授为论文通讯作者，共同作者有上海交大集成电路学院陈建平教授，研究生付凯、张昊葳；华为技术有限公司中心研究院无线技术实验室王天祥、王超、杨华山；华为技术有限公司加拿大研究中心童文。本项目获得华为技术有限公司无线技术实验室资助，并为系统实验提供了实验场地和设备。此外，该工作也得到了上海交通大学光子传输与通信全国重点实验室、上海交通大学–平湖智能光电研究院、国家重点研发计划项目等支持。

陆梁军，教授，主要研究方向为硅基光电子集成芯片及系统应用。主持重点研发计划项目、基金委面上等项目10余项。在Nat. Commun., Light Sci &Appl., PhotoniX, Optica等国内外一流期刊发表论文90余篇，持有中国发明专利30余项，美国专利5项。入选国家高层次青年人才、上海市启明星计划，曾获中国电子学会科技进步二等奖等。

周林杰，教授，国家级高层次人才，主要从事光电子器件与集成方面研究工作。主持各类国家级科研项目20余项，在Nature Photonics、Nature Communications、Physics Review Letters、Light Science & Applications、Advanced Photonics等期刊发表论文200余篇，Google Scholar统计引用超过9000次。入选爱思唯尔中国高被引学者榜单、英国皇家学会牛顿高级学者。曾获中国光学“十大进展”、中国产学研合作创新奖、华为优秀合作奖、中兴优秀项目奖等。