5G/6G无线传输作为信息传输基础设施的代表领域，是国家“十四五”规划中新型基础设施建设的重要板块。作为新一代移动通信技术，我国5G网络建设在“十三五”期间实现了跨越式发展。在“十四五”期间，5G/6G等相关领域新技术将进一步与人工智能、工业互联网、云计算、天地星链等新应用结合，实现智慧交通、智慧物流、智慧能源、智慧医疗等智慧城市构想的试点示范。无线传输系统芯片作为5G/6G技术的底层硬件载体，是我国半导体技术的重点发展方向。当前的无线传输系统芯片，面临着诸多挑战和瓶颈：一是因系统芯片自身架构特性导致的系统整体能效瓶颈问题，从而显著降低了硬件系统的续航能力；二是因模块电路自身的非线性等问题导致的系统整体性能退化，如阵列系统中相位精度、幅相误差等。研究高速率传输、高能效、高精度、低成本的宽频无线传输系统芯片成为5G/6G无线传输系统的一个重要方向。

图片图1. (a) 相位调制移相数字射频相控阵发射系统架构；(b) 芯片显微照片；(c) 输出功率、漏极效率、系统效率测试结果；(d) 均方根幅相误差；(e) 64-QAM 240Mbps调制信号传输。

近期，电子科技大学罗讯教授-钱慧珍副教授研究团队提出了相位调制移相数字射频相控阵系统架构以及限流矢量合成数字移相技术，并基于国产硅基CMOS工艺，成功研制出一款宽带相位调制移相数字数字相控阵发射系统芯片，具有国际领先的相位移相精度、幅度误差以及系统能效，可显著提升无线阵列传输系统的传输精度与续航能力。该芯片不仅打破了国外在相控阵芯片领域保持的系统能效、相位精度等世界纪录，还填补了国内在宽频高能效相控阵芯片领域的空白。该研究团队针对传统相控阵系统芯片能效瓶颈问题，提出了相位调制移相相控阵系统架构，将宽频高能效数字功率放大器技术应用在相控阵系统中，实现了基带信号到射频频段的直接调制，大幅度简化了相控阵系统的系统架构，提升了相控阵芯片的系统能效。不仅如此，针对相控阵系统芯片幅相误差大的问题，该研究团队基于相位调制移相数字相控阵系统架构，通过将信号的相位与幅度进行分别调制，降低了有源移相器电路的非线性对系统芯片的影响，利用数字功率放大器输入信号的轨到轨方波特性，解决了有源移相器电路引入幅度误差恶化系统性能的业界难题。同时，提出了限流矢量合成移相技术，大幅提升相控阵系统移相精度。基于上述创新技术，研究团队基于国产CMOS集成电路工艺平台，实现了相位调制移相数字射频相控阵系统芯片，并对系统芯片进行了在片测试与外场测试，均取得了很好的性能。该系统芯片在4.5 GHz单路输出功率为21.8 dBm，峰值系统效率38.2%，均方根幅相误差小于0.2 dB/0.5°。同时，该系统芯片可支持0.35°的相位移相精度以及64-QAM调制下240 Mbps的数据传输速率；与当前国际相关工作（如基于射频移相、本振移相、中频移相等传统架构的相控阵发射系统芯片）相比，在工作频宽、系统效率、相位精度等方面有大幅提升。

图2. (a) 相控阵系统测试方案；(b) 四通道输出功率随相位变化测试结果；(c) 系统波束成形测试结果；(d) 不同方向下64-QAM 240Mbps数据传输测试结果。

针对相控阵发射系统技术瓶颈，研究团队从系统架构出发，结合射频移相相控阵架构的小型化、本振移相相控阵架构的低幅度误差、基带移相相控阵的高移相精度、数字极化发射系统架构的高能效优势，于业界提出相位调制移相数字射频相控阵发射系统架构的指导思想，依照“幅度、相位独立调制”的基本原则，整合所提出的宽带数字功率放大器技术与限流矢量合成数字移相技术，大幅提升了相控阵发射工作频宽、系统效率与移相精度。作为5G/6G无线传输系统的硬件基础，高能效、高精度的宽频相控阵系统芯片将为未来的新一代无线传输系统的发展打下基石。研究团队将围绕高速无线传输系统芯片关键问题，继续探索并突破阵列系统芯片技术壁垒、性能极限，并结合研究团队独有的相位调制移相数字射频相控阵系统架构和新型数字射频移相电路、功率放大器电路，进一步推动无线传输芯片在通信/雷达/导航融合方向的探索，为高能效高精度的宽频相控阵阵列系统芯片在未来5G/6G等无线传输系统中的应用与发展奠定基础。

相关成果在2021年11月发表于集成电路领域国际顶级期刊IEEE Journal of Solid-State Circuits（JSSC）。电子科技大学钱慧珍副教授为论文第一作者，电子科技大学罗讯教授为论文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金重点项目等的支持。

详情请点击论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=9530759

来源：半导体学报微信公众号