电子科大团队研发新型相控阵发射系统芯片，性能达国际领先水平

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电子科大团队研发新型相控阵发射系统芯片，性能达国际领先水平

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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。该架构采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。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。该芯片在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%。

工作简介

数字射频相位自校准/深效率提升相控阵发射系统芯片

日益增长的高数据容量传输需求加速了高精度相控阵系统的发展，尤其是针对高速高能效无线应用(如5G-A/6G等)。传统射频移相相控阵发射系统架构能够共享混频器、频率源等，大幅简化了系统的复杂度。然而，由于移相器被放置在射频信号路径中，移相器电路的非理想性，如增益波动和功率非线性，会对相控阵系统性能带来恶化。本振移相相控阵发射系统架构将移相器放置在混频器和频率源之间，可以减少移相器非理想性引入的性能恶化。但这样会增加所需的混频器数量。同时，在传统的射频与本振移相相控阵架构中，需要一个额外的调制器将基带信号转换成调制中频信号。此外，在这两类相控阵架构中，通常还需要额外的相位校准来满足移相精度需求。相位调制移相数字极化相控阵架构能够同时实现直接调制和波束转向。此外，由于相位调制信号的恒包络特性，移相器电路始终工作在同一功率下，可以减少移相器非理想性引入的影响。然而，在此种架构中，信号调制和相位移相仍需要数字预失真技术进行校准。

为了生成具有高精度波束转向特性的高能效调制信号，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，如图1所示。与相位调制移相数字极化相控阵架构不同的是，传统架构针对相位调制和相位移相采用了不同的电路实现。而在所提出的相控阵系统架构中使用了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。与数字预失真技术相比，大幅简化了相位校准流程，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。同时，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。采用上述创新技术，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。

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。

该相控阵发射系统芯片在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为34.24%/30.12%/21.23%。同时，该相控阵发射系统芯片可支持20MHz 64-QAM与15MHz 256-QAM调制信号传输。芯片支持10-bit的相位调制与移相、10-bit的幅度调制，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、相位精度等方面有优势。

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。相关成果以“A Phase-Modulation Phase-Shifting Phased-Array Transmitter With Phase Self-Calibration and Deep PBOs Efficiency Enhancement”为题，发表在国际集成电路权威期刊IEEE Journal of Solid-State Circuits（JSSC）上。周杰博士为第一作者，罗讯教授为通讯作者。相关研究得到了国家自然科学基金重点项目等的支持。

作者简介

通讯作者
罗讯，博士、电子科技大学教授、IEEE杰出青年工程师奖获得者、爱思唯尔-斯坦福大学全球前2%顶尖科学家（终身/年度）。
研究方向主要为射频集成电路及其系统集成、可重构无源电路与模组、微型化三维集成封装等。兼任/曾任IEEE Microwave and Wireless Components Letters责任主编、IEEE Journal of Microwaves领域编辑、IEEE Open Journal of the Solid-State Circuits Society副编辑、IEEE Microwave Magazine特邀编辑等；兼任IEEE IMS技术分委会主席，兼任/曾任ISSCC、EuMW、RFIC、CICC技术委员会委员等。

第一作者
周杰，博士、电子科技大学讲师。
研究方向主要为硅基全集成相控阵系统及其电路模块、无源电路组件等。现已发表IEEE高水平收录论文40篇，含：JSSC、TCAS-I、MWCL、ISSCC、IMS、RFIC、CICC等。授权专利4项（含欧美专利2项）。曾获IEEE MTT学会Undergraduate/Pre-graduate Scholarship Award。兼任IEEE TCAS-I/II、MWCL等期刊审稿人。