94 GHz是非常重要的毫米波大气窗口频段，在通信、射电天文、导航、制导、安检成像等领域具有重要应用。该频段多通道相控阵芯片组的突破对于研发94 GHz频段高集成度大规模相控阵系统具有决定性的意义。硅基工艺相对于传统化合物半导体工艺具有低成本高集成度等优势，但在该频段面临器件性能以及多通道高密度集成等瓶颈问题。

东南大学毫米波国家重点实验室洪伟和陈继新教授团队面向未来毫米波通信、智慧交通雷达、安检成像等应用，设计并实现了94 GHz频段四通道相控阵发射和接收芯片组。该芯片组在芯片架构与器件设计上有多项关键创新。如在提出了适合毫米波高频段的波束成型芯片新结构；提出了一种新型集总微型功分器结构，极大地缩减了面积同时保持了优异的射频性能；针对零中频系统中的本振泄露和中频直流失调问题，在上下变频器中引入了数控调谐单元，以提高系统鲁棒性；在芯片系统架构以及版图布局方面兼容了扩展组阵以及封装天线阵列的需求，射频前端通道采用了2×2的对称布版方式等。芯片组的各项射频指标（包括增益、噪声系数、移相精度、输出功率、通道一致性等）优异，达到了国际领先水平。

该芯片组的主要特点总结如下：

（1）高度集成的94 GHz四通道零中频发射机与接收机；

（2）射频前端支持幅相调制功能，具有2-bit增益控制和6-bit相位控制精度；

（3）中频采用IQ混频架构，支持高阶调制信号接口，支持混合多波束系统架构；

（4）支持大规模布阵，射频单元间距1.8 mm（约1/2波长），组成2x2结构，兼容Flipchip BGA封装；

（5）发射通道增益21 dB、输出1 dB压缩点为10 dBm、饱和输出功率为13 dBm；接收机通道增益19 dB、最小噪声系数为7.7 dB。

图1. 94 GHz四通道相控收发芯片组。(a) 发射芯片原理图；(b) 接收芯片原理图；(c) 发射芯片照片；(d) 接收芯片照片；(e) 94 GHz相控阵组阵方案；(f) 94 GHz芯片样品传输实验。

相关研究成果以“W-band Scalable 2×2 Phased-Array Transmitter and Receiver Chipsets in SiGe BiCMOS for High Data-Rate Communication”为题发表在IEEE JSSC期刊（IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 57, no. 9, 2022, pp. 2685-2701）。博士生李焕波为论文第一作者，陈继新教授（导师）、侯德彬副教授（副导师）为通讯作者。

该论文是团队自2021年来在IEEE JSSC上发表的3篇系列毫米波芯片论文之一。论文相对于国际上现有的该频段芯片在集成度与核心指标上有着显著提升，为94 GHz频段大规模组阵奠定了器件基础。自2022年7月在线发表以来，论文受到国内通信业领先企业的高度关注，以及国内多家研究所单位的合作邀请。

来源：半导体学报