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中国半导体十大研究进展候选推荐（2023-042）——应用于高速无线通信的硅基220 GHz滑动中频收发芯片组

已有 393 次阅读 2024-1-3 10:40 |系统分类:论文交流

1 工作简介

——应用于高速无线通信的硅基220 GHz滑动中频收发芯片组

220 GHz频段是非常热门的太赫兹频段，在短距离高速无线通信、雷达成像等领域具有重要应用前景；同时220 GHz频段也是非常重要的太赫兹大气窗口频段，具有发展点对点远距离超高速无线通信的潜力。硅基工艺相对于传统III-V族化合物半导体工艺具有低成本高集成度等优势，因而吸引了国际上主要研究团队开展研究，力图在太赫兹频段实现能够媲美III-V族工艺的高性能射频前端。东南大学毫米波全国重点实验室洪伟、陈继新教授团队面向未来太赫兹超高速无线通信应用，设计并实现了完整的硅基220 GHz频段发射和接收芯片组。该芯片组在芯片架构与器件设计上有多项关键创新。在太赫兹频段首次采用滑动中频架构，提高收发机的性能并同时能够降低功耗；提出了一种新型小型化功率分配器结构，极大地缩减了面积同时保持了优异的射频性能；针对太赫兹频段接收机噪声系数高的问题，在低噪声放大器设计中引入了噪声消减技术，降低了接收机的噪声系数；设计了片上天线以及封装的模组，减小了芯片前端和天线互连带来的损耗。芯片组的各项射频指标（包括增益、输出功率、噪声系数等）优异，达到了国际领先水平。为发展我国高集成的太赫兹阵列系统提供了芯片解决方案。该芯片组的主要特点总结如下：

高度集成的220 GHz滑动中频收发芯片组；
混频器采用正交结构，支持高阶调制；
发射机转换增益38 dB，输出1dB压缩点为3 dBm，饱和输出功率为8.5 dBm，功耗仅640 mW；接收机转换增益48 dB，最小噪声系数为9 dB，功耗为495 mW；
支持单\多通道和大规模组阵通信，论文中实现了16-QAM信号在0.2 m距离下11.2 Gbps的传输。2023年11月又进一步展示了1 m距离下，50 Gbps以上的传输能力。

_{图1. 220 GHz滑动中频收发芯片组，(a) 发射芯片照片，(b) 接收芯片照片，(c) 收发机原理图，(d) 收发芯片模组无线传输实验，(e) 收发芯片无线传输实验星座图。}相关研究成果发表在2023年IEEE JSSC（Zekun Li, Jixin Chen, Huanbo Li, Jiayang Yu, Yuxiang Lu, Rui Zhou, Zhe Chen and Wei Hong, “A 220-GHz Sliding-IF Quadrature Transmitter and Receiver Chipset for High Data Rate Communication in 0.13-μm SiGe BiCMOS,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 58, no. 7, pp. 1913-1927, July 2023）。作者来自东南大学毫米波全国重点实验室洪伟和陈继新教授团队。博士生李泽坤为论文第一作者，陈继新教授（导师）为通讯作者。

2 作者简介

通讯作者

陈继新，东南大学首席教授、教育部长江学者、博士生导师、电磁场与微波工程系主任、毫米波全国重点实验室副主任。

1998、2002、2006年毕业于东南大学分别获学士、硕士、博士学位。曾获2016年度国家自然科学二等奖以及首届“Keysight Early Career Professor Award”等。主要研究方向为微波毫米波集成新技术。发表/合作发表论文100余篇，授权发明专利23项。曾担任2021年全国微波毫米波会议、IEEE RFIT2019技术委员会主席，IEEE HSIC2012、UCMMT2012等会议的技术委员会共主席等。2021年以来作为通讯作者在IEEE JSSC发表毫米波太赫兹芯片方向论文4篇，其中3篇入选中国半导体学报组织的中国半导体十大研究进展候选。