基于65纳米CMOS技术的全X波段相控阵收发模块芯片研究

作者及发表信息
本研究由韩国东国大学（Dongguk University）的Hyohyun Nam、Van-Viet Nguyen、Van-Son Trinh、Jeong-Moon Song、Jung-Dong Park（通讯作者）以及韩华系统（Hanwha Systems）的Bok-Hyung Lee合作完成，发表于2020年4月的IEEE Access期刊（DOI: 10.1109/ACCESS.2020.2988501）。研究得到韩国国家研究基金会（NRF）和韩华系统的资助。

学术背景

研究领域与动机
本研究属于射频集成电路（RFIC）领域，聚焦于相控阵天线系统（Phased-Array Antenna System）的核心组件——收发模块（Transmit/Receive Module, TRM）。传统TRM依赖昂贵的III-V族半导体（如GaAs）工艺，而本研究旨在通过65纳米CMOS工艺实现高性能、低成本、低功耗的TRM，覆盖X波段（8-12 GHz），以满足卫星通信、雷达等应用对紧凑型、大规模阵列的需求。

技术挑战
1. 宽带相位控制：传统无源移相器（Passive Phase Shifter）的带宽受限，难以覆盖全X波段。
2. 功率与噪声平衡：CMOS工艺的功率放大器（PA）输出功率和低噪声放大器（LNA）的噪声系数（Noise Figure, NF）需优化。
3. 集成度与面积：需在单芯片内集成移相器、衰减器、双向增益放大器（BDGA）和开关，同时减少路径损耗。

研究流程与方法

1. 宽带无源移相器设计

创新方法：提出“谐振频率错位技术”，通过分离高通（HP）和低通（LP）网络的谐振频率（f1 < f0 < f2），并调整相位响应斜率，实现宽带相位匹配（公式1-12）。
- 电路结构：采用6位T型/π型HP/LP/带通（BP）混合网络，最小步进5.625°（图2）。
- 验证：仿真显示均方根（RMS）相位误差°，带宽提升50%（图3-5）。

2. 6位数字衰减器设计

• 拓扑：π型电阻网络（图7），通过NMOS开关控制衰减量（0.5 dB步进，最大31.5 dB）。
  
• 优化：采用大栅极电阻（R2）稳定开关阻抗，降低插入损耗。
  

3. 双向增益放大器（BDGA）与分布式放大器

• BDGA：四级双向分布式放大器结合变压器耦合，提升增益至>15 dB（图8）。
  
• LNA与PA：
  
  • LNA：分布式放大器与共源级（CS）级联，噪声系数<8.4 dB（图9）。
    
  • PA：推挽式（Push-Pull）结构结合1:2变压器，输出1 dB压缩点（OP1dB）达11.84 dBm（图10）。
    

4. 单刀双掷开关（SPDT）集成

• 功能：作为双工器（Duplexer），切换TX/RX路径，隔离度通过并联晶体管优化（图6）。
  

5. 芯片制造与测试

• 工艺：65纳米CMOS，8层铜金属，面积4×1.88 mm²（图11）。
  
• 测试结果：
  
  • TX模式：增益>15 dB，OP1dB=11.84 dBm，功耗216 mW（图13-16）。
    
  • RX模式：NF=8.4 dB，RMS幅度误差<0.45 dB（图17-20）。
    

主要结果与逻辑关联

1. 移相器性能：RMS相位误差°（图14），支持全X波段精确波束控制，为后续阵列集成奠定基础。
   
2. 功率效率：PA的OP1dB优于多数CMOS方案（表I），验证了推挽结构与变压器匹配的有效性。
   
3. 噪声与增益平衡：LNA的分布式设计补偿了移相器高频损耗，确保接收链路灵敏度。
   

结论与价值

科学价值：
- 提出谐振频率错位理论，扩展无源移相器带宽。
- 首次在65纳米CMOS实现全X波段TRM，性能媲美SiGe和III-V工艺（表I）。

应用价值：
- 为低成本、高集成度相控阵系统（如5G基站、卫星终端）提供解决方案。
- 功耗仅326 mW（TX+RX），显著低于传统方案（如SiGe的792 mW）。

研究亮点

1. 宽带移相器设计：通过理论推导与电路优化，实现8-12 GHz全覆盖。
   
2. 高线性PA：推挽结构结合变压器负载调制，输出功率达15.18 dBm（饱和）。
   
3. 单芯片集成：共享移相器与衰减器的双向架构减少面积与损耗（对比[7][8]）。
   

其他贡献

• 64位SPI控制链：支持数字可编程波束扫描。
  
• 开源许可：遵循Creative Commons Attribution 4.0协议，促进技术共享。
  

本研究为CMOS工艺在毫米波相控阵系统的应用提供了重要参考，未来可扩展至Ku/Ka波段或大规模阵列集成。