近日，东南大学信息科学与工程学院尤肖虎教授、赵涤燹教授团队研究成果“高线性度、超宽带5G毫米波相控阵收发前端芯片”荣膺由《半导体学报》主办的2022年度“中国半导体十大研究进展”。
该团队实现可同时覆盖3GPP n257, n258, n261频段的5G毫米波CMOS相控阵芯片；通过提出宽带线性化技术，有效改善芯片在高功率下的幅度和相位失真，同时抑制芯片在宽带信号下的电学记忆效应，解决了传输超宽带高阶调制信号的难题；芯片成果已成功应用于国产化毫米波分布式微基站以及紫金山实验室6G TKμ极致连接无线传输平台。
该成果于2022年9月以 “A 24-29.5-GHz Highly Linear Phased-Array Transceiver Front-End in 65-nm CMOS Supporting 800-MHz 64-QAM and 400-MHz 256-QAM for 5G New Radio” 为题发表于集成电路领域国际顶级期刊JSSC（IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2022, 57: 2702-2718）。
图1. (a) 5G毫米波四通道相控阵收发系统射频前端芯片系统架构；(b) 芯片显微照片。
5G毫米波具备频率宽带容量大，易与波束赋形结合，超低时延等多个突出优势，有利于推动工业互联网、AR增强现实/VR虚拟现实、实时计算等行业的发展。同时，毫米波可以支持密集区域的部署，进行高精度定位，设备集成度高，将有利于促进基站和终端的小型化发展。我国人口众多，城市人口密集， 5G毫米波的诸多优势使其特别适合用于为人口稠密的场所和地区提供大带宽、低时延的高质量无线通信服务。5G毫米波无线通信系统使用大规模相控阵天线补偿毫米波频段较高的路径损耗。相控阵射频前端芯片作为大规模相控阵天线的核心器件，其成本和性能成为制约5G毫米波大规模商用的重要瓶颈。
尤肖虎、赵涤燹教授团队针对5G毫米波收发系统的TDD时分复用模式，提出匹配网络嵌入式射频开关技术，降低了发射模式和接收模式的开关插入损耗，有效提升发射输出功率的同时降低接收噪声系数；针对5G毫米波采用的宽带高阶调制信号(64/256-QAM OFDM)，提出功率放大器宽带线性化技术，有效改善射频芯片发射模式在高功率下的幅度失真和相位失真，同时有效抑制射频芯片在宽带信号下的电学记忆效应，解决了传输宽带高阶调制信号的难题，实现5G大带宽场景下的载波聚合；针对5G毫米波大规模相控阵天线的移相调幅需求，提出矢量调制移相器和零功耗无源衰减器技术，实现全数字控制、低附加误差的6-bit 360° 移相和6-bit 31.5 dB调幅。基于上述创新技术，研究团队基于低成本65nm CMOS集成电路体硅工艺平台，实现了5G毫米波相控阵收发系统射频前端芯片。
图2. (a) 6-bit 360° 移相测试结果；(b) 6-bit 31.5 dB调幅测试结果；(c) 26 GHz传输400-MHz 64/256-QAM OFDM信号测试；(d) 24-30 GHz发射100/200/400-MHz 64/256-QAM OFDM信号测试输出功率；(e) 24-30 GHz发射8×100-MHz 64-QAM OFDM信号测试输出功率；(f) 24-30 GHz接收100/400-MHz 64/256-QAM OFDM信号测试输入功率。
该芯片工作频率为 24-29.5 GHz，覆盖3GPP n257, n258, n261三个5G毫米波频带，连续波信号下发射模式的峰值输出功率和功率附加效率分别为18 dBm/20.8 %；接收模式的最低噪声系数为4.3 dB。在5G毫米波 OFDM信号激励下，400-MHz 64-QAM调制和256-QAM调制的峰值输出功率分别达到 10.5 dBm/6.8 dBm；载波聚合场景下的 8×100-MHz 64-QAM 信号的峰值输出功率达到 8.9 dBm。发射与接收模式均支持6-bit 360° 移相和6-bit 31.5 dB调幅，幅度/相位误差分别低于1.9° 和0.35 dB。
与当前国际相关工作相比，该研究以较低成本的工艺实现国际先进水平性能，具有重大的产业应用价值。作为5G毫米波无线传输系统的硬件基础，低成本、高性能、自主可控的相控阵收发系统射频前端芯片将为5G毫米波的大规模商用打下基石。
信息科学与工程学院博士研究生矣咏燃为论文第一作者，赵涤燹教授、尤肖虎教授为论文共同通讯作者。该工作得到了鹏城实验室和国家重点研发计划等专项资金项目支持。
（来源：东南大学官微）
