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Ka波段双向可重构开关波束成形网络的28纳米CMOS实现研究

一、研究团队与发表信息

本研究由 Youngjoo Lee (韩国延世大学)、Bosung Suh (三星电子) 和 Byung-Wook Min (韩国延世大学) 合作完成，发表于 IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 2023年6月刊（卷71，第6期）。

二、学术背景与研究目标

科学领域与问题背景

随着毫米波通信需求的增长（如5G/6G），波束成形技术成为解决高频路径损耗的关键。传统相位调谐阵列（phased-array）系统存在高损耗和复杂性问题，而基于巴特勒矩阵（Butler Matrix）的开关波束系统（switched beam system）虽结构简单，但存在波束方向有限的缺陷。

研究动机

本研究旨在开发一种 Ka波段（26.5–40 GHz）双向可重构开关波束成形网络，通过以下创新解决现有问题：
1. 双向放大器（Bi-directional Amplifier） 补偿开关和巴特勒矩阵的欧姆损耗；
2. 双端口激励（Dual-port Excitation）技术 扩展波束方向至7种（传统4×4巴特勒矩阵仅支持4种）；
3. 28纳米CMOS工艺集成 实现低成本、低功耗的毫米波集成电路。

三、研究流程与方法

1. 系统架构设计

核心组件：
- 可重构单刀双掷开关（Reconfigurable SPDT Switch, RSPDT）：支持单端口（single-port）或双端口（dual-port）激励模式切换；
- 双向放大器：通过交叉耦合差分对（Cross-coupled Differential Pair）设计，支持发射（TX）、接收（RX）和隔离（Isolation）三种模式；
- 4×4巴特勒矩阵：采用耦合线定向耦合器（Coupled-line Coupler）替代分支线耦合器，减少面积与损耗。

关键技术突破：
- 消除180°移相器：通过反转双向放大器的巴伦（Balun）方向实现相位反转；
- 消除交叉线（Crossover）：采用两级SPDT开关替代传统可重构SP4T开关。

2. 芯片实现与测试

工艺流程：基于三星28纳米CMOS工艺流片，芯片面积1.73×1.12 mm²。

实验方法：
- S参数测试：使用4端口网络分析仪测量插入损耗、回波损耗及隔离度；
- 功率测试：通过信号发生器与频谱分析仪测量线性度（IP1dB）；
- 波束方向验证：基于测量数据计算阵列因子（Array Factor）。

四、主要结果与数据分析

1. 性能指标

• 插入损耗：发射模式（TX）6 dB（含巴特勒矩阵6 dB功率分配损耗），接收模式（RX）4.5 dB，优于文献[14]的14.7 dB；
  
• 波束方向：在28 GHz下生成7个波束（±14.1°、±30°、±48°和0°），旁瓣电平（Sidelobe Level）<-10 dB；
  
• 隔离度：双向放大器关闭时，未激活端口的隔离度显著提升。
  

2. 关键数据支持

• 双端口激励验证：1L+2L模式的输出功率不平衡为6.5 dB（理想值7.7 dB），相位误差<17°；
  
• 线性度：TX模式下IP1dB达4.1 dBm（1R模式），双向放大器的OP1dB为5.5 dBm。
  

五、研究结论与价值

科学价值

1. 波束扩展性：首次在CMOS工艺中实现7波束生成的巴特勒矩阵系统，覆盖全扫描角度；
   
2. 损耗补偿机制：双向放大器将系统损耗降低58%，缓解了前端电路（Front-end）的设计压力。
   

应用前景

适用于5G毫米波基站、卫星通信等需低成本、低功耗波束成形场景。

六、研究亮点

1. 创新架构：通过RSPDT与双向放大器的协同设计，实现双端口激励的无附加移相器方案；
   
2. 工艺突破：28纳米CMOS集成验证了毫米波系统的商业化潜力；
   
3. 性能优势：实测损耗与隔离度指标均优于同类研究（见表I对比）。
   

七、其他贡献

• 电磁仿真方法：采用Sonnet全波仿真优化耦合线设计；
  
• 测试方法创新：通过对称性简化5端口S参数测量。
  

此研究为毫米波集成电路设计提供了新范式，其技术路线或可延伸至太赫兹频段。