1 工作简介

         ——D波段4发4收CMOS FMCW雷达收发机阵列芯片

随着太赫兹FMCW雷达系统在生命体征监测、生物医疗与工业探测等智能感知领域的广泛应用，太赫兹FMCW雷达芯片的阵列规模、探测精度、探测距离等性能备受关注。探测精度受限于雷达收发机芯片的射频调制工作带宽，而探测距离受限于等效全向辐射功率（EIRP）。当前，太赫兹雷达收发机芯片在进一步提升EIRP方面仍面临关键挑战，主要包括阵列规模受限、片上输出功率不足以及太赫兹片上天线增益较低等问题。

为突破上述技术瓶颈，天津大学马凯学教授团队成功研制了国际首款采用封装天线、具备4发4收阵列规模的D波段CMOS FMCW雷达收发机阵列芯片。针对D波段空间传播损耗高、CMOS发射机功率受限的难题，团队提出了基于本振移相的多通道相干功率合成发射机架构。此外，通过提出多谐波幅度与相位协同调控技术，实现了二次谐波增强型四倍频器，结合两路合成功率放大器及低损耗功率合成网络，在D波段达成单通道饱和输出功率高于+15 dBm。针对D波段封装损耗和天线增益的挑战，团队设计了基于低温共烧陶瓷（LTCC）基板的新型背腔式封装天线阵列，并借助表面贴片加载技术将单元天线增益提高至6.8 dBi；同时开发了芯片-封装-天线协同设计方法与电磁耦合补偿技术，再140 GHz频率将封装互连与过渡的损耗降低至2.5 dB。

基于上述创新技术，研究团队基于28-nm CMOS体硅工艺设计并实现了一款D波段4发4收CMOS FMCW雷达收发机芯片，并利用倒装技术与LTCC工艺完成了天线与芯片的一体化封装。实测结果表明，该雷达收发机模组在不使用任何透镜的情况下，实现了28.7 dBm的等效全向辐射功率，刷新了单片CMOS雷达收发机芯片方案的性能纪录；同时具备1.3 cm的距离分辨率与16.8 m的最大探测距离。在三维成像实验中，系统可清晰分辨具有毫米级间距的金属分辨率板，验证了其在毫米波成像雷达中的实用潜力，为CMOS毫米波/太赫兹雷达芯片在高精度智能传感领域的应用确立了新的技术标杆。

图2. (a) 雷达收发机芯片的等效全向辐射功率和接收增益/噪声系数测试结果；(b) 雷达收发机芯片模组的二维、三维成像结果。

该工作以《A 132-to-148GHz CMOS 4TX-4RX FMCW Radar Transceiver Array with Cavity-Backed Antenna-in-Package Achieving 28dBm EIRP》为题发表于2025年IEEE国际固态会议（IEEE International Solid-State Circuits Conference），并入选会议亮点论文。天津大学马凯学教授为通讯作者，博士研究生刘兵为论文第一作者。该研究工作得到了国家重点研发计划项目的资助。 

2 主要作者简介

通讯作者

马凯学，天津大学讲席教授，博导，IEEE Fellow，中国电子学会会士，国家杰青，国务院特殊津贴专家。现任天津大学微电子学院院长，天津国家“芯火”双创平台负责人，智能传感功能材料全国重点实验室副主任，天津市集成电路协会会长，天津市成像与感知微电子技术重点实验室主任等。

从业28年（企业10年）先后在航天504所和新加坡科技电子等单位工作。从事射频、毫米波电路与系统和天线传播研究，国际上提出集成悬置线集成电路和硅基可重构毫米波芯片等技术，承担国家重点研发专项和国家重点基金等项目。发表英文专著4部，中文著作2部，IEEE 期刊文章300多篇，专利60余项，成果落地应用获天津市科技进步一等奖（2023）等奖项，入选天津市杰出人才和“天津发展人才先锋”十大年度人物等。曾任中国电子学会青年科学家微波与电路系统专委会首任主任和国际微波期刊IEEE TMTT副主编等。2026年起担任Wiley《Microwave and Optical Technology Letters》主编。

3 原文传递

https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10904524