本文由Tian Liang、Jurui Qi、Zhaoxin Hu、Omar Hassan、Mir H. Mahmud及Gabriel M. Rebeiz等人撰写，研究主体机构为加州大学圣迭戈分校（University of California at San Diego）电气与计算机工程系及Extreme Waves Inc.和Apple Inc.。该研究以“A 2.5–25-GHz 10:1 Bandwidth Eight-Channel RX Beamformer Chip Based on Quad-Pole I/Q Network for Ultra-Wideband Systems”为题，发表在IEEE Journal of Solid-State Circuits上，于2025年正式刊出。研究聚焦于面向未来第六代移动通信（6G）FR3频段（7.125–24.25 GHz）的超宽带相控阵接收波束成形芯片设计，核心创新为一种基于电压-电流（V–I）转换架构的四极点I/Q网络，该网络突破了传统正交全通滤波器（QAF）二阶响应的带宽限制，将相位误差控制在±5°以内并覆盖十倍频程带宽。

在学术背景方面，现代通信标准持续向更高容量演进，频谱资源逐步扩展至6 GHz以上，相控阵系统凭借高有效全向辐射功率（EIRP）和大接收增益受到广泛关注。然而，传统相控阵接收机大多针对单一频段优化，例如28 GHz、39 GHz或60 GHz的5G FR2系统，难以覆盖6G FR3所要求的7.125–24.25 GHz宽频范围。宽带波束成形的关键挑战在于矢量调制器（VM）移相器中正交I/Q信号的产生。常见方法包括R-C多相网络、混合耦合器、QAF网络和时钟分频器。R-C多相网络的带宽可通过级联扩展，但损耗较高，不利于射频通路；混合耦合器在宽带下需要更多级联和更大面积；时钟分频器虽带宽最宽，却无法支持调制信号。QAF网络在面积效率与转换损耗之间具有较好折衷，但传统QAF网络为二阶响应，在超过3:1带宽时相位误差显著增大。因此，本研究提出四极点V–I模式QAF网络，通过增加补偿元件LC和CC在电流比中引入额外极点，在几乎不增加损耗的前提下显著扩展I/Q相位带宽。

在工作流程上，研究主要分为四大部分：宽带I/Q网络的理论分析与设计指导、基于共基（CB）矢量调制器的移相器设计、单通道接收机与八通道波束成形芯片的制造与测试、以及相控阵演示系统的构建与校准测量。首先，作者对传统V–V QAF网络和所提出的V–I QAF网络进行理论对比，推导出两者的I/Q电压比和电流比表达式。传统V–V网络在中心频率处幅度和相位误差均为零，但偏离中心频率后相位误差急剧增大。V–I网络通过引入额外极点，使相位误差在宽频带内保持较低，同时幅度误差呈现小幅纹波。研究人员对网络参数q、q′和m进行了扫描仿真，分析其对幅度和相位误差的影响，发现降低q可扩展带宽但引入更高损耗，q′对相位误差影响更明显，m=1时带宽最宽。为了抑制版图寄生效应，在电容串联处加入10Ω的退化电阻以均衡电感和电容的品质因数，同时尽量减小补偿电容CC的寄生电感。最终设计参数为L=650 pH、C=0.64 pF、R=20 Ω、LC=200 pH、CC=2 pF，中心频率约7.7–8 GHz，q=1.4，q′=0.83，m=0.6。该网络核心尺寸为200×340 μm。在移相器设计方面，采用Tower-Semi SBC18S5 SiGe BiCMOS工艺，高性能异质结双极晶体管（HBT）发射极宽度为90 nm，峰值fT和fmax分别为285 GHz和310 GHz。共基放大器输入阻抗为2/gm，可通过尾电流源调节，其发射极寄生电容仅6.5 fF，适合提供纯阻性负载；同时采用与绝对温度成正比（PTAT）的带隙电流源补偿温度变化。在功耗与线性度方面，共基矢量调制器相比传统共源共栅结构在同尺寸和电流密度下输入1 dB压缩点（IP1dB）提高8 dB，且供电电压仅1.5 V，功耗约30 mW，而传统结构约53 mW。为抑制噪声系数随增益状态波动，提出了噪声优化调谐方法：在0°至36°状态保持I通道电流不变，仅改变Q通道电流，使噪声系数最大变化控制在3 dB以内。该移相器实现6位相位控制，仿真反向隔离度大于30 dB。

在单通道测试单元评估中，通道由低噪声放大器（LNA）、单端转差分放大器（S2D）、开关衰减器、6位移相器、电流舵可变增益放大器（VGA）和差分转单端放大器（D2S）组成，核心面积为1.31×0.52 mm。LNA采用单级共发射极结构，带80 pH退化电感和1 kΩ反馈电阻，以拓展带宽并改善输入匹配。S2D采用非平衡共源共栅结构并运行于高电流模式以维持线性度。VGA和D2S的共模抑制比分别大于18 dB和35 dB。在2.5–25 GHz频率范围内，未校准时测得的均方根（RMS）相位误差小于2.7°，RMS增益误差约1 dB，微分非线性（DNL）误差在−0.5至0.5 LSB之间，峰值积分非线性（INL）误差在2.5 GHz处为7.14°。经过进一步逐频点校准后，RMS相位误差和增益误差分别降至1.1°–1.7°和0.24 dB。通道增益为18–21 dB，噪声系数为3.3–6.3 dB，启用衰减器后增益降低4–5 dB，IP1dB提高5 dB。VGA增益调谐范围超过30 dB，且增益变化引起的相位波动在±3°以内。

在八通道波束成形芯片设计中，芯片尺寸为4940×3340 μm，包含两个独立的威尔金森（Wilkinson）合成网络，分别用于垂直极化和水平极化通道。芯片采用晶圆级芯片尺寸封装（WLCSP）和SAC305焊球，可直接焊接在低成本PCB上。两级L-C威尔金森合成网络的仿真合成损耗为2–4 dB，回波损耗在1–30 GHz低于−10 dB，端口隔离度在5–30 GHz高于10 dB。由于采用等长路径布线，通道间相位差异小于±3°。片上LNA改为共源共栅结构以提高增益和噪声性能，但IP1dB降至−30 dBm。八个通道的直流电流变化小于5%，测得的电子增益为24 dB，增益变化小于1 dB，噪声系数为3 dB且变化小于0.5 dB，IP1dB和OP1dB分别为−29 dBm和−6 dBm，通道间变化小于1 dB。各通道RMS相位误差在2.5–25 GHz内小于3.5°。

在相控阵演示中，构建了一个16×1单极化线性阵列，采用八层Megtron 6基板，天线为超宽带维瓦尔第（Vivaldi）天线，单元间距7 mm（对应21.4 GHz半波长）。由于芯片到天线的传输线长度不等，不同单元之间存在与频率相关的固有相位差，在20 GHz时中心与边缘单元间可达510°。通过远场校准程序，在宽边方向逐通道测量并存储增益和相位偏移，再根据中心频率加载查找表进行补偿。在6、14和22 GHz测得的方位向辐射方向图显示，6 GHz时阵列电尺寸较小，可扫描至±45°；14和22 GHz时可扫描达55°，且波束宽度随频率升高而变窄。阵列的接收电子增益在宽边方向经校准后，每个校准频点附近可保持3 dB带宽大于2 GHz，支持5G/6G应用的400 MBaud调制信号需求。64 QAM调制信号（平方根升余弦滤波器滚降系数α=0.35）的误差矢量幅度（EVM）测试在6、14和20 GHz进行，低入射功率下EVM受信噪比限制，高功率下受通道线性度限制。

本研究的主要结论是：所提出的V–I模式四极点QAF网络成功将I/Q相位误差控制在±5°以内并覆盖十倍频程带宽，平均功率增益在中心频率处为−3 dB，相比四阶多相网络在中心频率处−9 dB至−12 dB的电压增益具有6–9 dB的增益改善。基于该网络的共基矢量调制器移相器在未校准条件下实现了2.7°的RMS相位误差，八通道波束成形芯片在2.5–25 GHz范围内保持高线性度和低噪声系数。与近年发表的其他波束成形接收机相比，本研究在带宽、RMS相位误差和IP1dB方面具有明显优势，可覆盖5G FR1高频段、全部FR3频段以及C、X、Ku和K/Ka波段卫星通信频率，是未来6G FR3基站应用的有力候选方案。

该研究的亮点在于：第一，首次在QAF网络中采用电压-电流转换架构实现四阶正交相位响应，突破了传统二阶响应在超宽带下的相位误差瓶颈；第二，利用共基放大器的低输入阻抗和极小寄生电容为V–I网络提供近乎理想的阻性负载，并通过电流舵DAC和PTAT偏置实现阻抗稳定性；第三，提出噪声优化的相位状态调谐方案，抑制了宽带移相器在不同相位状态下噪声系数的波动；第四，完成了从芯片、封装到PCB阵列的完整系统级验证，展示了在3–24 GHz范围内的宽带扫描和高质量调制信号接收能力。作者还指出，由于片内馈线不等长引入了无法通过移相器校准的真实时延差，瞬时带宽主要受限于布线而非网络本身，这为后续宽带阵列版图设计提供了重要参考。