5G无线回传系统中CMOS毫米波大功率多模功率放大器关键技术研究

It is one of the biggest challenges for 5G communication to backhaul massive amounts of data while the E-band wireless backhaul system is commonly considered to play an important role in 5G backhaul network. The E-band system in advanced CMOS has the advantage of high integration and low cost, which accomodates the dense distribution of 5G marco/small base stations. However, the low breakdown voltage of transistors makes CMOS millimeter-wave PAs face two challenging issues: (1) low output power, (2) low back-off efficiency. Such issues limit the backhaul range and increase the system power consumption.. To tackle the above issues, this work will investigate high-performance millimeter-wave amplifier cell, high-efficiency multi-way power combining technique, multi-mode technique, broadband linearization technique for enhancing the output power and back-off efficiency. It provides low-cost solutions for middle/long range wireless backhaul at millimeter-wave frequencies, which is of important significance and practical value. In this work, an E-band high-power, multi-mode PA will be designed and implemented in CMOS. It has a saturated output power of 25dBm (outperforming the state-of-the-arts), a -1dB large-signal bandwidth of 15GHz (covering the whole E-band) and features at least three output-power modes (enhancing back-off efficiency).

海量数据流的回传将是5G通信面临的巨大挑战之一，E波段无线回传系统被普遍认为将在5G回传网络中发挥重要作用。针对5G宏/小基站密集分布的特点，基于先进CMOS工艺的E波段系统将具有高集成度、低成本的优势。但是，晶体管低击穿电压的特点使得目前CMOS毫米波功放存在（1）输出功率较低，（2）回退功率下效率较差两大问题；从而限制了回传距离，增大了系统功耗。. 本项目将重点解决上述两大难题，通过研究高性能毫米波放大器单元、高效率多路功率合成技术、多模技术、宽带线性化技术，大大提高毫米波功放的输出功率和回退效率，为中长距离毫米波无线回传提供低成本解决方案，具有重要意义和实用价值。同时，本项目将使用CMOS工艺设计一款E波段大功率、多模功放芯片，实现饱和输出功率25dBm（领先于国际水平），大信号-1dB带宽大于15GHz（覆盖整个E波段），至少实现三种输出功率模式（提高回退效率）。

本项目“面向5G无线回传应用的CMOS毫米波宽带大功率多模功率放大器的研究”针对5G通信广覆盖、高速率、低能耗、灵活可配置、低成本的应用需求，重点研究了大功率、超宽带、高效率、多模式CMOS毫米波功率放大器的设计方法。通过在毫米波频段上提出新型的交叉电容中和高增益放大器、高效率多路功率合成器、输出级强耦合变压器、级间弱耦合变压器、基于变压器的紧凑正交耦合器、超宽带线性化等结构，将数学分析与软件仿真相结合，缩短了设计周期，总结了一套科学的设计流程。本项目主要解决了过去毫米波功放输出功率低，回退效率低，带宽窄的难题。所设计的超宽带大功率高效率线性 CMOS 功放芯片将有望在毫米波5G 通信中得到应用。.本项目按期完成全部任务目标，部分指标超过预期。其中申请发明专利6项、发表SCI/EI论文26篇、参加国内外学术交流活动、已毕业研究生6人。基于CMOS 65nm工艺设计流片的两块毫米波5G毫米波功放芯片，性能指标满足：其中（1）小信号增益为19dB，-3dB带宽从23.5GHz到31GHz，饱和功率为18dBm，输出1dB压缩点为17.4dBm，饱和输出功率处的功率附加效率为26.7%。芯片核心面积为0.16平方毫米。（2）小信号S21为20dB，3dB带宽为4GHz，饱和功率为17.5dBm，输出1dB压缩点为17dBm，漏极效率为34.5%，功率附加效率为27%，回退6dB时的效率为18.7%；芯片射频部分的面积仅为0.23平方毫米。