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IME2018特邀报告-硅CMOS低成本单芯片毫米波雷达及其创造性应用进展

— 记中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员田彤

中国科学院上海微系统与信息技术研究所田彤研究员再次受邀出席IME2018微波及天线技术论坛，届时将带来“硅CMOS低成本单芯片毫米波雷达及其创造性应用进展”主题报告。

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科技必将引领时代的进步，随着5G通信、自动驾驶、机器人等高科技应用，人们对未来充满了美好的憧憬与想象。在这些高科技应用的背后，涉及到一项重要的技术——毫米波相关技术，尤其是硅基毫米波集成电路技术。这项技术，对大多数局外人而言晦涩难懂甚至高深莫测。在全球的微电子专家都在努力对其进行研究和探索之际，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员、博士生导师田彤已经取得了重大突破。

田彤是中国科学院“百人计划”专家，曾任研究所学位委员会委员、物联网系统技术实验室副主任、代主任，也是上海科技大学信息与电子工程学院特聘教授。对于自己目前的工作，田彤为自己定下了两个目标：一是就目前掌握的硅基单芯片毫米波雷达系统的芯片设计技术，在技术邻近的工业、信息、交通、民航等领域广泛使用，比如5G通信、自动驾驶、民用微型相控阵雷达、机器人等方面；二是攻克设计技术难题，在更高频率上，实现单毫米波单芯片系统。

“实现以上目标，我们就走在了国际前列。”田彤表示。

1998年从西安交通大学电子与信息工程学院博士毕业至今，田彤一直在从事和坚持模拟/射频集成电路及系统设计的研发工作，并且在超宽带接收机射频前端IC的理论、设计和实现、基于频域统计特性的片上噪声有源抵消技术的开发等方面取得了创新性成果。

而将田彤一步步带入模拟/射频集成电路及系统设计这一研究领域的，除了他的老师，更重要的还是他个人的兴趣。

与射频集成电路结缘

出生在一个知识分子家庭，田彤年幼时期就特别喜欢读科普类的书籍。在那个图书匮乏的年代，为找来感兴趣的书籍，父母和他都要费尽心思。也正是一本有关硅谷的书，开启了田彤最初的理想。“这些书籍一方面开阔了我的视野，一方面让我对喜欢的领域有了初步的了解。”回想起当时读过的书，田彤依然记忆犹新。

中学阶段，对物理学科表现出特别兴趣的田彤，参加了全国中学生物理竞赛并拿到了陕西赛区的奖项。这更加激发了他对物理学科的兴趣。1986年上大学的时候，他毅然选择了华中理工大学（现华中科技大学）固体电子学系半导体物理与器件专业进行学习。

大学毕业后，田彤在工作实践中发现自己在电路设计及电路理论方面掌握的知识还不全面。为了能在自己喜欢的专业领域更好地发展，1992年，他来到西安电子科技大学电路与系统专业读硕士。之后，他又报考了西安交通大学罗晋生教授微电子方向的博士生，主要研究方向是射频集成电路设计。从此，田彤与射频集成电路及系统设计结下了不解之缘。

“如果说结缘，一方面是因为导师罗晋生教授的指引，还有中电科技南京电子器件研究所林金庭教授以及陈堂胜教授（目前任首席科学家）的指导和帮助。另一方面是因为当时砷化镓微电子工艺具备了高频率集成电路芯片设计的可能，硅射频集成电路成为微电子方向的最前沿研究内容。”田彤说。

射频集成电路主要用于信号发射、接收以及探测等领域，是电子无线系统的线，把大量的系统关联在一起。田彤介绍，在通信领域，射频集成电路的具体功能就是把语音、数据等信号，加载到可以发射出去的射频信号上发射出去，然后在接收端再把语音、数据信号还原出来，“就像寄信的邮路一样，只是要求速度更快、容量更大、更有时效性”。

“射频集成电路设计非常依赖设计者的电路经验、电路知识以及强大模型方面的技术支持。”田彤说，“打个比方，数字集成电路是照片的话，射频集成电路就是油画了。”

1998年，田彤博士毕业后，他在西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室以及新加坡南洋理工大学集成电路实验室从事了3年的博士后研究。

“收获的是中国人在该领域的信心”

世纪之交的中国，经济高速发展，但科研条件尤其是集成电路方面跟国外相比还存在比较大的差距。为了掌握更多的知识，田彤选择了去国外历练。从2000年到2010年，从新加坡到丹麦，田彤十年磨一剑。

初出国门，田彤来到新加坡南洋理工大学工作，受到了深深的震撼。

“我是2000年左右出国的。刚出国的感觉，就是震撼，尤其是工作条件。”田彤说。那时，他在新加坡南洋理工大学做博士后研究。

2001年起，田彤以高级工程师/高级研究科学家的身份加入新加坡微电子研究院。期间，田彤主要研究涉及Ｓi CMOS 0.35um工艺到0.13um工艺的主要系统，包括WLAN、2.45GHz无绳电话、蓝牙、RFID等等。

由于研究工作特别出色，田彤获得了新加坡微电子研究院2003-2004年度“优秀研究奖”，并担任新加坡微电子研究院学术委员会委员和专利委员会委员。与此同时，他还兼任新加坡国立大学硕士生导师，指导２名硕士生直至毕业。

如果说在新加坡南洋理工大学做博士后研究，让田彤的科研工作迈上了正轨，那些科研成果则让他在专业上站位更高。离开，到专业技术的前沿去。2004年8月，田彤来到了丹麦奥尔堡大学，开始创作射频集成电路的“油画”作品。

在丹麦奥尔堡大学，田彤是射频集成电路与系统专业副教授，他参加了欧盟关于物联网及可穿戴技术的第6框架计划 MAGNET项目。

欧盟第6框架计划MAGNET项目开始于2003年中，是欧盟对物联网研究的开始，即把短距离无线通信技术、传感器技术及网络技术结合起来，用于对个人情况的监控和个人与外界交互的媒介。在这个项目中，田彤作为奥尔堡大学该项目芯片技术工作组技术负责人和主要成员，承担了5GHz宽带接收机前端及射频解码器的的研究工作。

凭着深厚的学识，经过不懈的努力，田彤再一次出色地完成了科研工作：研究并修正了FM-UWB早期关于RF解调器噪声系数的理论。这些理论最终被项目的各参与单位的设计和测试所证明；研究设计了专门的相位自动校正电路，充分提高了RF解调器的性能；设计实现了满足系统要求的RF解调器芯片。该芯片在与NXP(Philipe荷兰总部微电子事业部)和CSEM(瑞士国家微电子研究所)展开公开、激烈的竞争后，被列为MAGNET核心标准电路，并作为MAGNET提交的欧盟相关标准的设计参考；在欧盟第6框架计划MAGNET项目的创新性成果基础上，田彤作为项目申请撰写人，成功申请了丹麦FTP基金的资助，主持了“片上噪声对射频前端灵敏度影响及抑制”项目的研究。在该研究中，他提出了基于频谱统计特性的有源抑制方法，给出了一个可以工程实现的抑制片上噪声、提高片上射频前端灵敏度的途径，为解决system-on-chip的灵敏度和噪声问题提出了解决方案。这项工程可实现基于频域统计特性的片上数字噪声有源对消技术，受到了Teklatech公司的重视，并同意在理论工作基础上进一步开发并嵌入他们的版图优化软件。

田彤还作为项目负责人参加了由丹麦政府和工业界联合资助的“多标准高效高线性度射频功率放大器”相关项目，采用CMOS/SOI0.15μm工艺设计了可用于WLAN/Bluetooth的2.45GHz双标准高效高线性度功率放大器。

作为奥尔堡大学射频集成电路与系统专业的副教授，田彤的工作除了科研的建树，他还承担了研究生课程的教学任务，讲授一门主干课程——射频集成电路设计，共培养了7名硕士、1名博士。

从新加坡到丹麦，田彤在射频集成电路设计领域研究了近10年时间。他的专业知识和研究经历涵盖了工艺、器件、射频集成电路和射频系统。10年，让他掌握了国外技术发展的一手经验，包括科研方法、科研组织、管理方法等，更多的是把握了该专业的前沿方向。

“拿国内与国外对比，这种感受会更强烈。如果说收获，那就是中国人在该领域的信心。”田彤说。

“为自己国家做事是再好不过的事”

2010年，田彤毅然选择了回国。那时，祖国在召唤。3月，田彤入选了“百人计划”。谈到回国的初衷，田彤表示，主要有两个方面的原因。“一个是对国家的亏欠与内疚。我这个年纪的人，读书是花的国家的钱，回国就是希望能为国家做点事，尤其在是微电子和集成电路方面，我国大量外汇用于进口国外的产品，实际上处于电子殖民地状态，核心的技术不在我们手里。”田彤说，“另一方面是个人原因，个人觉得微电子未来的大发展会在环太平洋区域、中国一定会发挥核心作用。在这个大方向下，为国家做事，做自己喜欢的事，是再好不过的。”

到国内。他在中科院上海微系统及信息技术研究所任研究员、博士生导师，同时担任IEEE Trans.on Circuit and System II期刊副编辑。他的主要研究方向是Si模拟及射频集成电路和系统、Si毫米波集成电路和系统、射频人体植入系统及人体辅助系统。

回国的７年时间，田彤的才华得到了充分的展示和发挥。他承担了国家重大专项、上海市专项的研发项目，也和工业界进行了大量的合作，取得了一些国家专利。实践证明，他的选择是对的。

2010年刚回国，田彤就负责主持了“用于物联网的极低功耗高能效无线节点芯片技术平台”项目。

在可以预见的未来，物联网技术将广泛应用并深深地影响通讯技术、交通运输、经济发展、民生生活以及国家安全等方方面面。鉴于物联网巨大的市场潜力，并涉及国家的发展战略，西方国家从一开始就努力垄断节点电路市场并对技术标准进行垄断，构筑技术壁垒。

一方面为在芯片技术上支持我国自主的频段及标准，一方面为弥补目前物联网技术在短距无线互联方面的技术短板和漏洞，田彤主持的研究项目，以低功耗高能量效率物联网通用和专用无线节点共性核心技术研发为目标，研究可用于各种物联网应用的通用和专用芯片设计及实现技术，建立核心子系统、传感器／节点界面技术、支持系统和应用开发技术，为极低功耗高能量效率物联网无线节点研究设计和应用提供理论和技术支持。在此基础上，进一步努力把相关研究结果总结为绿牙技术体系，获得了国家专利授权，设计实现了相关无线收发机芯片、核心技术的芯片载体，并获得了工业界的认可和欢迎。

提到田彤近些年的科研成果，还应该提到参与的一项国家重大科技专项课题“硅基射频功率芯片工艺开发与产业化”项目。在此项目中，田彤带领研究队伍克服工艺不稳定、模型不确切等困难，最终实现了项目的既定目标，为我国自主的物联网频段的无线收发机用上国产功率放大器芯片，做出了贡献。按田彤的说法，算是真真切切为国家做了一些事。

对于所取得的成果，田彤并不贪功。他表示：“课题承担单位中科院上海微系统与信息技术研究所从上世纪60年代就开始从事微波毫米波半导体器件、电路、模块、系统的研究，先后承担了多项重要的微波毫米波技术研究工作。不仅有成熟的GaAs MMIC设计技术积累、还有Si基RF CMOS丰富的设计经验，尤其是射频与微波集成系统实验室具有一流的微波毫米波芯片、模块、系统测试条件以及测试经验，为本课题提供了技术和设备保障。”

回国７年多，总有人问田彤国内和国外科研工作和环境有什么不同，而他也总是如实回答。“好的方面是，在自己的地方为自己的国家做事，心情是不一样的。你会发自内心的想要把事情做好，有一个踏实的心态。在科研工作的安排上，跟国家的需求贴得更近，更直接。不足的方面是国内的研究和应用比较混淆，在技术转化上存在障碍。人们的心态比较浮躁，急于出大成果，或者急功近利，考虑利润在先，但在创新方面又自信心不足。”田彤说。

不论在哪儿，田彤总是科研教学两不误。回国７年，他发明专利授权2项（包括绿牙系统），版图保护授权约12项，接受（filed）发明专利申请6项；他已经带了４名硕士，2名博士。目前还有在读博士生6人、硕士生5人。

“力争尽快取得领先优势”

在模拟/射频集成电路及系统设计领域研究多年，田彤的科研成果颇丰：在国际学术刊物及学术会议上发表论文64篇，其中30篇为第一作者；合著论著1部，获得发明专利2项；多次担任重要国际会议如APMC等的射频集成电路分会主席或作邀请报告。

即便如此，年近半百的田彤依然勤奋努力不敢有一丝懈怠。目前，田彤正带领着一支以博士研究生为主的年轻科研团队，奔走在硅基毫米波集成电路技术领域。他说：“当前的主要研究就是在技术上与国外进展保持一致节奏，并力争在该领域尽快取得领先优势，这个优势包括技术的领先性，技术标准的超前性，也包括尽早的大规模工业化生产和应用。”

田彤非常客观地指出，在工业界和研究领域，硅射频芯片的设计是我国整个集成电路设计领域的短板。“差距是明显的，在硅毫米波集成电路设计领域，整体而言还处在起步阶段。”田彤表示，他充满信心，因为这项具有重大工业应用及商业价值的技术也是最近10年的事情，“我们有很大的余地，在一些点上比如单芯片雷达技术方面与国外保持一致甚至在一些技术上已经超越国外”。

其实，田彤目前的研究已经取得了丰硕的成果，受到了国内和国际的重视。“我们目前的工作，在国内算是一个不错的成果。比如150GHz SiCMOS单芯片振荡器，目前国内同样工艺同样频率的还没见其他报道。全自主产权的35GHz硅基单芯片毫米波FMCW体制雷达，在国内目前也没有看到。该芯片目前已经具备了量产的技术条件，有望近期量产。”田彤说，“我个人觉得，这才是有意义的工作。”不仅如此，在IEEE的重要会议上，田彤还受邀与著名微电子厂商包括IBM的技术负责人及UCLA著名专家、教授等一起，做了大会主旨发言。

“对科研工作者来说，研究就是由一系列问题组成的。因为严谨的理论论证加上缜密的思考和大量尝试、分析，大多数情况下，研究方面的困难算不上困难，只要认真努力，加上经验，有时候是积累经验而来的直觉，问题总会解决。”提到自己能攻克那么多难题，田彤总结了三条法宝：一是自信心，二是严谨、科学的专业技能，三是专心和毅力。

子曰：五十而知天命。现在，田彤没事的时候，要么自己读点书、听听音乐，要么就一个人去旅行。“我就是喜欢安静，想让思想静静。”田彤说，这是性格使然，也与他的信念有关。作为一名科研工作者，必须要宁静致远，心静，要认真、从心、敬业、严谨、博闻、广记，同时还要适度地有其他领域的爱好。

提到对自己影响最大的人，田彤说，在生活上，父母给了他宁静淡泊的性格和心态。妻子和女儿给了他精神上极大的支持、关心和理解，也为他做出了很多牺牲。在专业上，罗晋生教授身体力行给他展示了作为一个研究人员的严谨、认真、豁达、进取。在工作中，微系统所的几位老院士实事求是、不浮躁的工作态度和豁达的心态，给他留下了非常深刻的印象。

田彤表示，未来他还将争取更大的产业化投资和国家项目支持，扩大研发队伍，改进测试条件，创设研发到量产基地，以加快并引领硅基毫米波集成电路技术的研究。在未来的科学之路上，田彤还在努力，还在用更美的颜料创作更好的毫米波集成电路“油画作品”。