该文档属于 类型a，是一篇关于双向放大器设计的原创性研究论文。

1. 主研作者及单位、发表期刊与时间
该研究由来自清华大学集成电路学院的 Jian Zhang（学生会员，IEEE）领衔，合作者包括 Ming Zhai, Dawei Wang, Yichen Liu（学生会员，IEEE）、Xiangjie Yi, Ruitao Wang, Wei Zhu 和 Yan Wang（IEEE 会员）。论文发表于 IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，并于2024年6月16至18日在美国华盛顿特区召开的 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC) 上进行了扩展版本的宣读。

2. 学术背景与研究目标
随着第五代通信（5G）和 K/Ka 波段（17.7–20.²⁄₂₇.5–30 GHz）卫星通信（satcom）系统的快速发展，大规模相控阵列（phased-array）系统的成本与尺寸成为其广泛应用的主要限制因素。传统的收发前端模块（FEM）通常采用功率放大器（PA）和低噪声放大器（LNA）并联架构，结合收发开关（TRSW）实现模式切换，但这一设计存在损耗高、芯片面积大等问题。近年来，双向放大器（bidirectional amplifier）的研究虽有所进展，但仍面临增益、线性度及噪声性能的折衷问题。此外，现有方案需 LNA 与 PA 同一频率工作，无法满足卫星通信中上下行不同频段的需求。

本研究提出了一种创新的 “变压器堆叠技术”（transformers-stacking technique），设计了超紧凑型双向放大器，通过磁性自抵消技术（magnetic self-canceling technique）将 LNA 完全嵌入 PA 中，显著减少芯片面积的同时，几乎不牺牲性能。其核心目标包括：
1. 开发适用于 K/Ka 波段 的双向放大器，支持分频工作（LNA 工作在 K 波段，PA 工作在 Ka 波段）；
2. 集成 内置自陷波滤波器（build-in-self notch filter），抑制发射模式（TX）的旁瓣干扰；
3. 实现比传统方案减少 50%–80% 核心面积 的高效设计。

3. 研究流程与方法
（1）变压器堆叠技术
- 8 字形电感（8-shaped inductor）设计：通过将传统方形电感的两个环路改为电流方向相反的 8 字形结构，抵消磁场耦合，使堆叠的变压器之间耦合系数（(k)）低至 0.05 以下。
- 性能验证：电磁仿真表明，堆叠后的变压器在 20 GHz（LNA 频段）和 30 GHz（PA 频段）的关键参数变化均小于 5%，仅品质因数（Q 值）因寄生电容略有下降（约 7%–24%），但对放大器整体性能影响可忽略。

（2）变压器基收发开关（TRSW）
- 采用 三绕组变压器 将 PA 输出匹配网络（MN）与 LNA 输入 MN 集成，省去单独 TRSW 的插入损耗。
- 通过调节线圈比例（L1:L2 = 1:1）实现 PA 的 50 Ω 至 22 + j20.6 Ω 阻抗变换，同时利用 L3 的高电感值满足 LNA 的输入匹配需求。

（3）内置自陷波滤波器
- 利用 PA 关断时的寄生电容（(C_{pa,off})）与变压器绕组形成谐振器，在接收模式（RX）下抑制 TX 频段（30 GHz）的干扰信号，增益抑制 >45 dB。
- 通过基尔霍夫定律（KCL/KVL）分析，优化 L1 电感值以兼顾 RX 匹配与 TX 负载阻抗要求。

（4）放大器核心设计
- LNA 与 PA 分离布局：PA 大尺寸晶体管置于两侧，LNA 小尺寸晶体管居中，确保信号路径对称。
- 泄漏电流优化：仿真显示，PA 模式下 LNA 漏极电流 <300 μA，栅极电压 <80 mV（低于阈值电压），避免了传统双向架构的泄漏问题。

4. 主要实验结果
- LNA 模式（K 波段）：峰值增益 16.2 dB（19 GHz），最小噪声系数（NF）2.46 dB，输入 1 dB 压缩点（IP1dB）>−22 dBm，核心功耗 35.8 mW。
- PA 模式（Ka 波段）：饱和输出功率（Psat）18.3 dBm，1 dB 压缩点功率（OP1dB）15.9 dBm，峰值功率附加效率（PAE）23.5%–28%。
- 调制测试：支持 64-QAM（3.6 Gb/s）与 256-QAM（4.8 Gb/s）信号，误差向量幅度（EVM）分别为 −26.7 dB 和 −32.5 dB。
- 芯片面积：核心尺寸仅 0.14 mm²，为传统方案的 20%–50%。

5. 结论与价值
本研究通过变压器堆叠和磁性自抵消技术，首次实现了 分频工作的双向放大器，解决了传统方案中 LNA 与 PA 必须同频运行的局限性。其科学价值在于：
1. 提出 可扩展的被动双向拓扑，避免了主动双向技术中的泄漏电流问题；
2. 集成自陷波滤波器，为卫星通信系统提供了高干扰抑制能力；
3. 超紧凑设计为大规模相控阵列的低成本化提供了关键技术支撑。

6. 创新亮点
- 首款分频双向放大器：LNA（K 波段）与 PA（Ka 波段）独立工作，支持卫星通信上下行需求；
- 变压器堆叠技术：通过 8 字形电感实现磁性自抵消，面积效率比传统方案提升 2–5 倍；
- 内置滤波器设计：无需外接高 Q 值滤波器即可抑制 TX 干扰，降低系统复杂度。

7. 其他价值
该设计的双向放大器可固定为单一模式（LNA 或 PA），适用于频分双工（FDD）系统，进一步扩展了其在低轨卫星（LEO）通信等场景的应用潜力。

（全文约 1800 字）