这篇文档属于类型a，是一篇关于D波段（D-band）双向共栅放大器（bidirectional common-gate amplifier）设计与实现的原创性研究论文，发表于IEEE Journal of Solid-State Circuits期刊，作者是Syed Mohammad Ashab Uddin（宾夕法尼亚州立大学）和Wooram Lee（宾夕法尼亚州立大学）。以下是详细报道内容：

一、作者及研究背景

本研究由宾夕法尼亚州立大学电气工程系的Syed Mohammad Ashab Uddin（IEEE学生会员）和Wooram Lee（IEEE高级会员）合作完成，论文发表于IEEE Journal of Solid-State Circuits，展示了两种基于45纳米RFSOI（射频绝缘体上硅）工艺的D波段（110–170 GHz）双向放大器设计。

研究背景与科学问题：随着增强现实（AR）、自动驾驶、工业物联网（IoT）等应用对高速无线数据传输需求的激增，D波段频谱因其大带宽优势成为研究热点。然而，高频信号传输面临路径损耗高、硅基射频集成电路（RFIC）晶体管性能受限等挑战。传统解决方案采用单向放大器链和单刀双掷开关（SPDT），但在D波段，SPDT的插入损耗高达2.5 dB，且占用较大芯片面积。因此，本研究提出一种新型双向放大器设计，旨在消除SPDT开关并压缩芯片尺寸。

二、研究方法与流程

1. 设计方法论

研究团队提出了一种基于共栅放大器（common-gate amplifier）源漏对称性的设计方法，结合对称无源网络（symmetric passive networks）实现双向信号放大。核心创新包括：
- 对称级间匹配网络：通过共享串联组件（如电感或传输线）实现正向与反向放大时的共轭匹配，避免传统开关损耗。
- 电流复用技术（current-reuse technique）：相邻放大器级共享电源电流，降低功耗。

2. 电路实现

研究通过两种方案验证设计：
- 变压器基放大器：频率覆盖103–123 GHz，采用变压器实现级间匹配，集成2级放大器。
- 传输线基放大器：频率覆盖124–145 GHz，使用传输线匹配网络，采用3级级联结构。

实验与建模：
- 晶体管建模：通过RC参数提取和电磁仿真（HFSS）精确建模共栅晶体管的输入/输出阻抗，验证了正向与反向模式的增益对称性（MSG/MAG差异<0.5 dB）。
- 匹配网络设计：
- 变压器方案中，将传统LC网络转换为单一变压器结构，节省面积。
- 传输线方案中，通过可调谐传输线（tunable transmission line）动态调节输入/输出匹配。

3. 性能测试

• 测试平台：使用Keysight N5242B PNA-X矢量网络分析仪、VDI功率计等设备，通过探针台进行片上测量。
  
• 关键指标：
  
  • 变压器基放大器：正向峰值增益9 dB（110 GHz），反向7.5 dB，平均噪声系数（NF）6.3 dB，功耗25.5 mW。
    
  • 传输线基放大器：双向增益14 dB（130 GHz），带宽21 GHz，NF 7 dB，功耗28.5 mW。
    

三、研究结果

1. 增益与带宽：两种设计均实现了超过20 GHz的3 dB带宽，且传输线基放大器的增益（14 dB）显著高于现有文献中的双向放大器（如28 GHz频段的9.5 dB）。
   
2. 噪声性能：NF与现有D波段低噪声放大器（LNA）相当（6–7 dB），同时支持双向功能。
   
3. 线性度：OP1dB（输出1 dB压缩点）在-9.7至-1.7 dBm范围内，验证了设计的实用性。
   
4. 面积优化：变压器基设计核心面积仅0.13 mm²，传输线基为0.28 mm²，远低于传统分置式TX/RX模块。
   

四、研究结论与价值

1. 科学意义：提出了首个D波段双向共栅放大器设计框架，通过对称匹配网络和电流复用技术解决了高频双向放大的阻抗匹配与功耗难题。
   
2. 应用价值：为紧凑型相控阵收发器（phased array transceiver）和异质集成（如InP与CMOS共集成）提供了关键模块，适用于6G通信、雷达传感等场景。
   

五、研究亮点

1. 创新设计：
   
   • 首次利用CMOS晶体管的源漏对称性实现D波段双向放大。
     
   • 可重构匹配网络无需射频路径开关，降低损耗。
     
2. 工艺验证：基于45 nm RFSOI工艺流片，实测性能与仿真高度一致。
   
3. 跨频段兼容性：方法学可扩展至其他高频段（如G波段）。
   

六、其他价值

论文还探讨了双向放大器在多通道波束成形IC（beamformer IC）和异质集成模块中的应用潜力（图2–3），为未来太赫兹（THz）系统集成提供了参考架构。

研究团队在致谢中提及GlobalFoundries对芯片制造的支持，并指出后续工作可结合交错调谐（staggered tuning）进一步拓展带宽。这一成果为高频通信集成电路设计树立了新基准。