基于可重构多模匹配技术的硅基毫米波数字功率放大器

Millimeter-wave wireless transmission system is the important constituent part of applications including 5G mobile communication, radar, etc. Millimeter-wave power amplifier with high performance is one of the key problems in the research of such wireless system. Due to the limitation of design theory and technology characteristics, high output power, high efficiency, and wide channel bandwidth become the bottleneck of silicon based power amplifiers, therefore high order QAM modulation signal with high data-rate transmission is difficult to be supported. To solve the problem, this project is focused on following contents: 1) to investigate wideband, low passive loss digital power amplifier with high efficiency based on reconfigurable notched matching network with multi-mode operation; 2) to investigate dynamic load impedance modulation technology based on digital baseband feed-forward architecture, which improves back-off efficiency of the digital power amplifier; 3) to achieve wideband modulation with low distortion based on high linearity digital power amplifier and 3-dimentional digital pre-distortion. This project will provide important theory and technology support for the research and application of silicon based transmitters with self-adaption, high integration level, green energy-saving, and low cost in the novel wireless system with high data-rate.

毫米波无线传输系统是5G移动通信、雷达等应用的重要组成部分。高性能毫米波功率放大器是该无线系统研究中的关键难题之一。由于设计理论以及工艺特性的限制，使得高输出功率、高效率、宽信道成为了硅基功率放大器的瓶颈，从而难以支持高阶QAM调制信号的高数据率传输。为解决该难题，本项目拟开展以下方面的深入研究：1）基于可重构陷波多模匹配网络，研究宽带、低无源损耗的高效率数字功率放大器；2）基于数字基带前馈架构，研究动态负载阻抗调制技术，提高数字功放的回退效率；3）基于高线性度数字功放和三维数字预失真，实现低失真宽带调制。本项目将为新型高数据率无线系统所需的自适应、高集成度、绿色节能、低成本硅基发射机的研制与应用，提供重要的理论与技术支撑。

本项目主要研究毫米波无线传输系统中，高性能毫米波功率放大器的设计难题。研究内容主要包括两个方面：(i)数字功放可重构技术研究，提升数字功放的深回退效率、带宽等。提出了混合Doherty和阻抗提升(HDIB)的正交数字功率放大器架构，采用更少的功率合成和直流电源供应实现深回退效率提升。提出可重构变压器技术，使得可重构匹配网络(RMN)具有更大的设计自由度，从而实现数字功放子功率放大器4倍以上的灵活负载阻抗调谐范围。研制的40nm CMOS数字射频功率放大器在0/3/6/9/12/15dB功率回退点，2.8GHz下的漏极效率分别为 38.5%/39.3%/29.6%/29.5%/18.4%/14.9%。. (ii)毫米波数字功放阻抗变化补偿综合技术、寄生抵消及本振泄露抑制技术研究，提升毫米波数字功放的效率、带宽、动态范围、数据率。研制出基于阻抗变化补偿综合的2x10比特毫米波宽带正交发射机，能在20-32GHz频率范围内实现19.02dBm的极值输出功率以及34.4%极值漏极效率，同时可支持1Gbps的256QAM信号调制发射。研制出2x9比特、具有寄生抵消和本振自抑制的毫米波正交混合模式发射机，实现了饱和输出功率24.03dBm，峰值系统效率31.5%，并实现了6dB回退系统效率23.6%，支持400MHz 64QAM、200MHz 256QAM调制信号。. 项目执行期间，相关研究在集成电路设计领域主流期刊发表SCI论文10篇，其中旗舰期刊IEEE JSSC 5篇，IEEE TCAS-I 1篇，IEEE MWCL 4篇。发表集成电路设计领域主流国际会议2篇，其中芯片奥林匹克会议IEEE ISSCC 1篇，IEEE IMS 1篇。申请发明专利11项，授权专利9项。本项目的研究为高数据率无线系统所需的自适应、高集成度、低功耗、低成本硅基发射机的研制与应用，提供了理论与技术支撑。