CMOS工艺下毫米波超宽带高效率QAM发射机片上集成技术研究

The millimeter-wave frequency band is considered to be the main frequency band for 5G and future wireless communications due to its abundant spectrum resources. However, the conventional quadrature amplitude modulation (QAM) transmitter architecture faces low power conversion efficiency, narrow bandwidth and difficulty in high-integration in the millimeter-wave frequency band. In order to solve these problems, this project will study the design and implementation method of the ultra-wideband and high-efficiency millimeter-wave QAM transmitter in CMOS, including the QAM signal synthesis method with high power conversion efficiency, the on-chip detection and analysis method of high-power vector signals and the low-cost vector error elimination method for QAM signals. This project will innovatively propose a new I/Q RF-DAC transmitter architecture supporting millimeter-wave quadrature amplitude modulation. Starting from the research of modulation, circuit implementation and coding algorithms, this project will provide a feasible system plan for the design of millimeter-wave transmitter chip with ultra-wideband, high power conversion efficiency, high output power and low cost. Finally, the proposed transmitter architecture will be implemented in 65 nm CMOS and verified by measurement equipments. The problem that conventional millimeter-wave transmitters cannot simultaneously support high-speed and high-efficiency modulation would be solved by the outcome of the project, which will make a good foundation for the application of CMOS millimeter-wave integrated circuits in ultra-high-speed wireless communication.

毫米波段由于其丰富的频谱资源被视为5G及未来无线通信的主要频段。传统正交振幅调制（QAM）发射机架构在毫米波段面临功率转化效率低、带宽窄、集成难度大等问题。本项目针对这些问题，研究探索CMOS工艺下超宽带高效率的毫米波QAM发射机芯片设计与实现方法，包括高功率转化效率的QAM信号矢量合成方法、大功率矢量信号片上检测分析方法和低成本QAM信号矢量误差消除方法。本项研究将创新性地提出一种适用于毫米波段正交振幅调制的新型I/Q RF-DAC发射机架构，从调制方式、电路实现以及编码算法等科研点入手，为超宽带、高功率转化效率、高输出功率以及低成本的毫米波发射机芯片设计提供可行的系统方案，最终采用65 nm CMOS工艺完成该新型发射机架构的电路设计并流片验证。本项目的研究成果将解决传统发射机架构在毫米波段无法同时实现高速和高功率转化效率的难题，为CMOS毫米波集成电路在超高速无线通信的应用打下基础。

5G毫米波集成电路设计是近年研究热点，研究者们致力于提高发射机发射效率和输出功率。为此，本项目研究高能效毫米波发射机架构和关键电路实现，并取得突出成果。.在发射机架构方面，本项目提出了一种用于生成高功率回退效率的16-QAM信号调制器QCAM。QCAM调制器由I路径和Q路径PAM4调制器组成，它们通过数字调制对功率放大器(PA)的输出级进行调制，以降低线性度的要求。I和Q路径的PAM4信号通过片上Wilkinson功率组合器进行组合，以生成16-QAM输出信号。基于该架构在65-nm CMOS工艺下实现的28 GHz 16-QAM发射器芯片取得了良好的测量结果，包括11.35 dBm平均射频输出功率、9.2% DC-RF效率、16 Gb/s数据速率和-24 dB EVM。该成果发表在国际顶刊IEEE TCAS-I，为进一步探究和发展QCAM技术提供了重要的理论和实验基础。.因威尔金斯功分器的性能直接影响QCAM发射机的功率转换效率和EVM，本项目对该功分器开展了研究，提出了基于LC分立元件的螺旋类传输线结构的威尔金斯功分器，可以将同等电长度的传输线面积缩小3倍以上，且引入的插入损耗更小。测试结果显示在36.9 GHz频点隔离度达到了30.3 dB,插入损耗只有0.9 dB。此外，本项目还将开关电容结构引入LC螺旋传输线结构中，实现了K波段隔离度可配置的Wilkinson功分器，测试结果显示可以在29%的相对带宽内实现35dB以上的隔离度。上述成果发表在国际顶刊IEEE TMTT和IEEE MWCL上。.本项目也研究了高能效小型化的毫米波放大器电路结构，提出了一种基于多电感耦合的小型化放大器结构，仅由一个变压器线圈实现，大大缩减了芯片面积。测试结果显示该放大器具有10.5dB增益，2.5dB噪声系数，13.5GHz带宽和4mW功耗。综合性能达到15.6，是目前CMOS工艺下最佳性能和最小面积的K波段放大器。该成果发表在国际顶刊IEEE MWCL上。.本项目对发射机前端芯片和天线之间的封装键合技术进行了研究，提出了一种紧凑型片上焊盘结构，通过金属堆叠实现，用于补偿键合线的寄生电感，实现宽带低损耗阻抗匹配。该结构用于芯片到印刷电路板的互连，测得单侧损耗为1.7475dB，3-dB带宽为12GHz。该成果发表在IEEE TCPMT期刊上。