中国半导体十大研究进展候选推荐（2021-044）——相位调制移相数字射频相控阵系统芯片

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。

变革性的研究思路是突破瓶颈问题的关键。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。

罗讯，电子科技大学国家示范性微电子学院教授（博士生导师），IEEE杰出青年工程师奖获得者。学士、博士（硕博连读）均毕业于电子科技大学，曾任荷兰代尔夫特理工大学助理教授（博士生导师）。

长期从事大数据电子与人工智能微系统、数字密集型射频/微波/毫米波集成电路、片上太赫兹通信、可重构无源电路与系统、智慧传感网络、生物微电子集成系统、多维集成封装等方向的研究。第一作者/通信作者发表高水平IEEE论文100余篇，含：IEEE期刊JSSC（集成电路领域顶刊）、TMTT（微波/毫米波领域顶刊）、TCAS-I（电路与系统顶刊）、MWCL（微波/毫米波领域顶刊）论文近40篇；国际会议ISSCC（芯片奥林匹克会议）、IMS（微波/毫米波领域旗舰会议20篇）、RFIC（射频集成电路领域旗舰会议）、CICC论文近40篇；授权专利44项（含欧美专利20项），其中38项专利技术转产国内外工业界消费电子领域，含智能手机、汽车电子、基站网络等。

罗讯教授现牵头主持国家重点基础研究项目（项目首席）、国家重点研发计划重点专项（项目首席）、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金国际（地区）合作研究项目等。他带领团队（先进半导体与集成微系统研究中心）被授予成电教书育人优秀团队、电子科技大学研究生优秀导学团队；本人及团队成员获50余项国内外重要奖项：含IEEE Outstanding Young Engineer Award（IEEE杰出青年工程师奖）；IEEE MTT学会Graduate Fellowship Award（3人次）、IEEE SSC学会Predoctoral Achievement Award、IEEE MTT学会Pregraduate/Undergraduate Scholarship Award（4人次）；IEEE RFIC最佳学生论文奖、IMS学生设计竞赛奖（含冠军3项）、ISSCC Highlight亮点论文等IEEE国际顶级会议重要奖项20余项；中国电子学会集成电路奖学金（特等奖）、中国侨界贡献奖（创新成果）等。

现任IEEE Microwave and Wireless Components Letter（MWCL）责任主编；IET Microwaves, Antennas & Propagation（MAP）副主编；IEEE MTT学会MTT-4（微波无源电路与传输线结构分委会）、MTT-5（滤波器分委会）、MTT-23（无线通信分委会）技术委员会委员。兼任IEEE JSSC、TMTT、TCAS-I、EDL等SCI期刊审稿人；IEEE RFIC、IMS等国际会议技术委员会委员；IEEE IWS、RFIT等国际会议技术委员会共同主席等。

第一作者

钱慧珍，电子科技大学国家示范性微电子学院副教授。

学士、硕士、博士均毕业于电子科技大学。研究方向包括CMOS全集成数字射频发射机，数字密集型功率放大器，微波/毫米波/THz集成电路与系统，片上智能感知相控阵无线传输系统，一体化可重构无源集成电路与系统等。牵头主持国家自然科学基金面上项目、青年项目等。现已发表高水平IEEE收录论文近70篇，含：IEEE JSSC、TMTT、TCAS-I顶级期刊16篇，ISSCC、IMS、RFIC国际顶级会议24篇。授权专利26项（含欧美专利12项）。曾获2018年IEEE微波理论与技术学会Graduate Fellowship Award，2015年、2018年IEEE国际无线年会（IWS）最佳学生论文奖，2017年、2018年IEEE国际微波年会（IMS）学生设计竞赛奖，以及2016年、2019年IEEE射频集成技术大会（RFIT）最佳学生论文奖，2021年IEEE ISSCC Highlight亮点论文；指导学生获得2019 IEEE IMS学生设计竞赛冠军。兼任IEEE TMTT、TCAS-I、MWCL、SSCL等期刊审稿人，兼任IEEE IWS等国际会议技术委员会委员。

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