电子科大团队研发新型相控阵发射系统芯片，实现高精度波束转向与高能效信号传输
电子科大团队研发新型相控阵发射系统芯片，实现高精度波束转向与高能效信号传输
电子科技大学罗讯-周杰团队提出了一种具有快速锁定相位自校准和回退功率下能效提升的数字相位调制移相相控阵架构。该架构通过单个相移调制器同时实现相位调制与移相，大幅简化了系统复杂度。研究团队基于国产CMOS集成电路工艺平台，实现了四通道的数字射频极化相控阵发射系统芯片。
工作简介
针对高数据容量传输需求加速的高精度相控阵系统发展，尤其是高速高能效无线应用（如5G-A/6G等），电子科技大学罗讯-周杰团队提出了一种创新的数字射频相位自校准/深效率提升相控阵发射系统芯片。
传统射频移相相控阵发射系统架构虽然能够共享混频器、频率源等，大幅简化系统复杂度，但移相器电路的非理想性（如增益波动和功率非线性）会影响系统性能。本振移相相控阵发射系统架构虽然可以减少性能恶化，但会增加混频器数量。相位调制移相数字极化相控阵架构虽然能够同时实现直接调制和波束转向，但仍需要额外的校准。
为了解决这些问题，研究团队提出了一种新型架构，使用单个相移调制器同时实现相位调制与移相，大幅简化了系统复杂度。同时，在相移调制器电路中引入了自校准回路，通过对相控阵发射系统各链路分别进行波形采样、整形，检测出对应的相位信息，再利用自校准回路生成电压控制信号。这不仅简化了相位校准流程，还改善了相移调制器电路的相位线性度和均方根相位误差。
系统的幅值调制信息由基于开关电容单元的数字化功率放大器实现，并利用Doherty和Class-G技术实现数字化功率放大器在深回退功率下的能效提升。由于基于开关电容单元的数字化功率放大器具备几乎理想的幅度线性度，因此，所提出的相位自校准数字极化相控阵系统无需额外的校准。
性能测试
研究团队基于国产CMOS集成电路工艺平台，实现了四通道的数字射频极化相控阵发射系统芯片，并对相控阵发射系统芯片进行了测试。测试结果显示：
- 芯片在2.1-2.9GHz频率范围内峰值输出功率为26.95dBm，峰值系统效率为37.25%。
- 系统芯片在2.5/6/12-dB回退功率下的系统效率分别为34.24%/30.12%/21.23%。
- 芯片支持20MHz 64-QAM与15MHz 256-QAM调制信号传输。
- 在2.4GHz工作频点，均方根幅相误差优于0.2dB/0.4°。
与当前国际相关工作相比，所提出的技术在幅相校准技术、整体效率、相位精度等方面具有优势。
图 1. (a) 数字射频相位自校准/深效率提升相控阵发射系统芯片架构；(b) 芯片显微照片；(c) 各通道输出功率与效率测试结果；(d) 回退效率测试结果；(e) QAM信号传输测试结果。
图 2. (a) 通道输出相位测试结果；(b) 相控阵系统波束测试方案；(c) 波束传输测试结果。
该工作为相控阵系统芯片的波束控制与信号调制提供了新的解决思路，奠定了理论与实验基础。相关成果发表在国际集成电路权威期刊IEEE Journal of Solid-State Circuits（JSSC）上。