近日，東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院尤肖虎教授、趙滌燹教授團(tuán)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(dǎo)體學(xué)報》主辦的2022年度“中國半導(dǎo)體十大研究進(jìn)展”。

該團(tuán)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(shù)，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(xué)記憶效應(yīng)，解決了傳輸超寬帶高階調(diào)制信號的難題；芯片成果已成功應(yīng)用于國產(chǎn)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(lǐng)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(gòu)；(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(jié)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(wǎng)、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(jìn)行高精度定位，設(shè)備集成度高，將有利于促進(jìn)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(zhì)量無線通信服務(wù)。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(tuán)隊針對5G毫米波收發(fā)系統(tǒng)的TDD時分復(fù)用模式，提出匹配網(wǎng)絡(luò)嵌入式射頻開關(guān)技術(shù)，降低了發(fā)射模式和接收模式的開關(guān)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(diào)制信號(64/256-QAM OFDM)，提出功率放大器寬帶線性化技術(shù)，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(xué)記憶效應(yīng)，解決了傳輸寬帶高階調(diào)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(diào)幅需求，提出矢量調(diào)制移相器和零功耗無源衰減器技術(shù)，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(diào)幅。基于上述創(chuàng)新技術(shù)，研究團(tuán)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(jié)果；(b) 6-bit 31.5 dB調(diào)幅測試結(jié)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(diào)制和256-QAM調(diào)制的峰值輸出功率分別達(dá)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(dá)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(diào)幅，幅度/相位誤差分別低于1.9° 和0.35 dB。

與當(dāng)前國際相關(guān)工作相比，該研究以較低成本的工藝實現(xiàn)國際先進(jìn)水平性能，具有重大的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用價值。作為5G毫米波無線傳輸系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，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(xué)與工程學(xué)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(xué)官微）