近日，東南大學信息科學與工程學院尤肖虎教授、趙滌燹教授團隊研究成果“高線性度、超寬帶5G毫米波相控陣收發(fā)前端芯片”榮膺由《半導體學報》主辦的2022年度“中國半導體十大研究進展”。
該團隊實現(xiàn)可同時覆蓋3GPP n257, n258, n261頻段的5G毫米波CMOS相控陣芯片；通過提出寬帶線性化技術，有效改善芯片在高功率下的幅度和相位失真，同時抑制芯片在寬帶信號下的電學記憶效應，解決了傳輸超寬帶高階調制信號的難題；芯片成果已成功應用于國產化毫米波分布式微基站以及紫金山實驗室6G TKμ極致連接無線傳輸平臺。
該成果于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” 為題發(fā)表于集成電路領域國際頂級期刊JSSC（IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2022, 57: 2702-2718）。
圖1. (a) 5G毫米波四通道相控陣收發(fā)系統(tǒng)射頻前端芯片系統(tǒng)架構；(b) 芯片顯微照片。
5G毫米波具備頻率寬帶容量大，易與波束賦形結合，超低時延等多個突出優(yōu)勢，有利于推動工業(yè)互聯(lián)網、AR增強現(xiàn)實/VR虛擬現(xiàn)實、實時計算等行業(yè)的發(fā)展。同時，毫米波可以支持密集區(qū)域的部署，進行高精度定位，設備集成度高，將有利于促進基站和終端的小型化發(fā)展。我國人口眾多，城市人口密集， 5G毫米波的諸多優(yōu)勢使其特別適合用于為人口稠密的場所和地區(qū)提供大帶寬、低時延的高質量無線通信服務。5G毫米波無線通信系統(tǒng)使用大規(guī)模相控陣天線補償毫米波頻段較高的路徑損耗。相控陣射頻前端芯片作為大規(guī)模相控陣天線的核心器件，其成本和性能成為制約5G毫米波大規(guī)模商用的重要瓶頸。
尤肖虎、趙滌燹教授團隊針對5G毫米波收發(fā)系統(tǒng)的TDD時分復用模式，提出匹配網絡嵌入式射頻開關技術，降低了發(fā)射模式和接收模式的開關插入損耗，有效提升發(fā)射輸出功率的同時降低接收噪聲系數(shù)；針對5G毫米波采用的寬帶高階調制信號(64/256-QAM OFDM)，提出功率放大器寬帶線性化技術，有效改善射頻芯片發(fā)射模式在高功率下的幅度失真和相位失真，同時有效抑制射頻芯片在寬帶信號下的電學記憶效應，解決了傳輸寬帶高階調制信號的難題，實現(xiàn)5G大帶寬場景下的載波聚合；針對5G毫米波大規(guī)模相控陣天線的移相調幅需求，提出矢量調制移相器和零功耗無源衰減器技術，實現(xiàn)全數(shù)字控制、低附加誤差的6-bit 360° 移相和6-bit 31.5 dB調幅。基于上述創(chuàng)新技術，研究團隊基于低成本65nm CMOS集成電路體硅工藝平臺，實現(xiàn)了5G毫米波相控陣收發(fā)系統(tǒng)射頻前端芯片。
圖2. (a) 6-bit 360° 移相測試結果；(b) 6-bit 31.5 dB調幅測試結果；(c) 26 GHz傳輸400-MHz 64/256-QAM OFDM信號測試；(d) 24-30 GHz發(fā)射100/200/400-MHz 64/256-QAM OFDM信號測試輸出功率；(e) 24-30 GHz發(fā)射8×100-MHz 64-QAM OFDM信號測試輸出功率；(f) 24-30 GHz接收100/400-MHz 64/256-QAM OFDM信號測試輸入功率。
該芯片工作頻率為 24-29.5 GHz，覆蓋3GPP n257, n258, n261三個5G毫米波頻帶，連續(xù)波信號下發(fā)射模式的峰值輸出功率和功率附加效率分別為18 dBm/20.8 %；接收模式的最低噪聲系數(shù)為4.3 dB。在5G毫米波 OFDM信號激勵下，400-MHz 64-QAM調制和256-QAM調制的峰值輸出功率分別達到 10.5 dBm/6.8 dBm；載波聚合場景下的 8×100-MHz 64-QAM 信號的峰值輸出功率達到 8.9 dBm。發(fā)射與接收模式均支持6-bit 360° 移相和6-bit 31.5 dB調幅，幅度/相位誤差分別低于1.9° 和0.35 dB。
與當前國際相關工作相比，該研究以較低成本的工藝實現(xiàn)國際先進水平性能，具有重大的產業(yè)應用價值。作為5G毫米波無線傳輸系統(tǒng)的硬件基礎，低成本、高性能、自主可控的相控陣收發(fā)系統(tǒng)射頻前端芯片將為5G毫米波的大規(guī)模商用打下基石。
信息科學與工程學院博士研究生矣詠燃為論文第一作者，趙滌燹教授、尤肖虎教授為論文共同通訊作者。該工作得到了鵬城實驗室和國家重點研發(fā)計劃等專項資金項目支持。
（來源：東南大學官微）
