面向5G通信的硅基高性能毫米波相控阵发射前端关键技术研究

The fifth generation (5G) wireless communication technology will need to realize data rate in excess of 10Gbps and 1000x data volume enhancement, in order to satisfy the high data traffic and connect-everything requirements. Companies like Samsung, Ericsson and Huawei have already started the 5G prototype systems development and plan to commercialize them in 2020. Massive MIMO and millimeter-wave technology are critical to implement 5G network. To enable these technologies in small cell and mobile terminal, millimeter-wave phased-array transmitter front-end is a key unit which must have small form factor, low cost and high performance. Research in this field will have both scientific value and broad application prospect. In this work, we choose 38GHz frequency band and SiGe BiCMOS process to design the 5G millimeter-wave phased-array transmitter front-end, and focus on researching the following three key topics: 1) high back-off efficiency and high power millimeter-wave power amplifier design technique; 2) novel high linearity active millimeter-wave phase shifter structure and design technique; 3) on-chip low loss power distribution technique.

第五代移动通信技术(5G)将实现10Gbps的传输速率和1000倍的数据容量提升，以此满足高速数据通信和万物互联的迫切需求。目前包括三星、爱立信和华为在内的各大厂商均已开始5G 原型系统的研发，预计将于2020年实现商用。大规模MIMO和毫米波技术是实现5G传输目标不可或缺的技术手段，而要在小蜂窝（Small Cell）和移动终端实现该技术，必须要开展小型化、低成本和高性能的毫米波相控阵发射前端研究，因此针对该技术开展研究具有重要的科学意义和很好的应用前景。本项目选择成本和性能折中的SiGe BiCMOS工艺，针对5G备选的38GHz频段，开展5G毫米波相控阵发射前端以下三个方面的关键技术研究：1、大功率回退下的高效率高功率毫米波功率放大器设计技术；2、新型高线性度有源移相器结构与设计技术；3、片上低损耗功率分配技术。

随着5G通信对更高数据率的需求，毫米波相控阵受到越来越多的关注，而硅基工艺实现毫米波相控阵能够显著降低成本，以利于其应用普及。当前硅基工艺已经展现出很大的潜力应用于毫米波相控阵，但仍有很多技术困难需要去克服，特别是传统CMOS工艺ft和耐压很难同时兼顾，同时衬底损耗大也影响其性能，本项目选择性能与成本兼顾的SiGe BiCMOS工艺开展硅基毫米波相控阵核心电路的研究工作。项目期间在SiGe BiCMOS硅基工艺上完成了28GHz 和38GHz 5G频段的包括功率放大器、高精度有源/无源移相器、高精度数字衰减器、宽调谐压控振荡器等多个电路模块的设计流片验证，在SCI/EI等期刊发表近十篇论文。其中在Ka频段实现基于SiGe BiCMOS工艺的有源6位精度移相器提出了一种线性矢量合成技术使得移相器有很高的相位控制精度，避免了相位校正带来的系统复杂度增加；提出基于新型变压器结构的功率合成技术，并由此设计实现了38GHz高效率硅基毫米波功率放大器，实现18dBm P1dB和38%的PAE；针对28GHz和38GHz两个5G备选频段提出了一种可双频切换的硅基毫米波压控振荡器设计技术。这些工作探索了SiGe BiCMOS工艺在毫米波频段射频电路的设计方法，研究成果对其在5G的应用起到了一定的示范作用。