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中国半导体十大研究进展候选推荐(2022-019)——高线性度、超宽带5G毫米波相控阵收发前端芯片研究

已有 2951 次阅读 2022-9-21 10:42 |系统分类:论文交流

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工作简介

         ——高线性度、超宽带5G毫米波相控阵收发前端芯片研究


东南大学赵涤燹和尤肖虎教授团队在面向5G毫米波应用的高线性度、超宽带相控阵收发前端芯片研究方面取得重要进展,该芯片覆盖3GPP n257, n258, n261三个毫米波5G频段,满足3GPP 400-MHz 64-QAM256-QAM高阶调制指标要求。相关成果发表在集成电路领域国际顶级期刊IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC)


5G/6G通信基础设施是国家 “十四五”规划和2035远景目标纲要中新型基础设施建设的重要板块。工业和信息化部发布的《“十四五”信息通信行业发展规划》具体指出,将加快5G独立组网(SA)规模化部署,逐步构建多频段协同发展的5G网络体系,适时开展5G毫米波网络建设。5G毫米波具备超高带宽、超低时延、易与波束赋形结合等多个突出优势,有利于推动工业互联网、AR增强现实/VR虚拟现实、云游戏、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,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。当前,毫米波已在欧美日韩等发达国家和地区实现商用,拥有成熟的产业链,能够面向消费级、企业级和工业级场景,提供高容量低时延的室内外热点覆盖。毫米波5G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。


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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。


研究团队围绕提升5G毫米波超宽带收发机线性度、降低射频开关损耗、提升幅相调制精度等关键问题实现技术创新。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,解决了传输超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毫米波大规模相控阵天线的幅相调制需求,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比特360° 移相和6比特31.5 dB调幅。基于上述创新技术,研究团队使用低成本65nm CMOS集成电路体硅工艺,实现了5G毫米波相控阵收发系统射频前端芯片,并对系统芯片进行了连续波测试与毫米波5G调制信号测试。测试结果如下:芯片工作频率为 24-29.5 GHz,覆盖3GPP n257, n258, n261三个毫米波5G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和20.8 %,接收模式的最低噪声系数为4.3 dB。在毫米波5G OFDM信号激励下,400-MHz 64-QAM调制和256-QAM调制的平均输出功率分别达到 10.5 dBm和6.8 dBm;载波聚合场景下的 8×100-MHz 64-QAM 信号的平均输出功率达到 8.9 dBm。发射与接收模式均支持6比特360° 移相和6比特31.5 dB调幅,相位和幅度RMS误差分别低于1.9° 和0.35 dB。与当前国际相关前沿工作相比,该研究以较低成本的工艺实现国际先进水平性能。目前,芯片成果已在部分设备商和运营商的毫米波小基站样机上形成示范应用,并为紫金山实验室6G TKμ极速连接和超低时延无线传输实验平台提供重要技术支撑。


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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。


相关成果在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IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC)。东南大学博士研究生矣咏燃为论文第一作者,东南大学赵涤燹教授和尤肖虎教授为论文共同通讯作者。该工作与紫金山实验室,成都天锐星通科技有限公司,深南电路股份有限公司等单位紧密合作,项目得到国家重点研发计划等项目支持。

作者简介


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通讯作者

赵涤燹,东南大学教授,紫金山实验室课题负责人。


比利时鲁汶大学博士,主要研究方向为面向5G毫米波通信、宽带卫星通信和高精度雷达系统的全集成CMOS毫米波收发机芯片设计。发表论文100余篇,著作一本,著作章节两章。担任IEEE电路与系统期刊(TCAS I)编委,欧洲固态电路会议(ESSCIRC)和亚洲固态电路会议(A-SSCC)技术委员会成员,国际集成电路工艺与应用会议(ICTA)技术委员会主席等。曾于2013年获得国家优秀留学生奖,2014年获得IEEE固体电路协会(SSCS)博士成就奖,并多次获得国际会议最佳论文奖。毫米波CMOS相控阵芯片项目成果入选国家十三五科技成果展,2020年度高等学校十大科技进展,2020年度中国光学领域十大影响力事件(Light 10),2021年度中国电子学会科学技术奖(技术发明)一等奖。



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通讯作者

尤肖虎,东南大学教授,紫金山实验室首席科学家,教育部长江学者。


1988年于东南大学信号、电路与系统专业获博士学位。任东南大学移动通信国家重点实验室主任、长江学者计划特聘教授、国家2011计划无线通信技术协同创新中心主任、网络通信与安全紫金山实验室副主任。作为项目负责人,获国家技术发明一等奖,国家科技进步二等奖,中国电子学会科学技术(技术发明)一等奖。先后任国家863计划3G、4G及5G重大项目专家组组长、宽带通信与新型网络国家重点研发计划专家组组长、宽带无线移动通信网国家重大科技专项副总师等。2014获陈嘉庚科学奖信息技术科学奖,2011年当选为IEEE Fellow。



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第一作者

矣咏燃,东南大学博士研究生。

2017年在东南大学信息科学与工程学院获得学士学位,现于东南大学信息科学与工程学院攻读博士学位,主要研究方向为面向卫星通信和5G通信的毫米波射频集成电路和相控阵系统芯片设计。

原文传递


详情请点击论文链接:

https://ieeexplore.ieee.org/document/9769743




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