天津大学在硅基频率源技术方面取得系列成果

2023年8月，天津大学微电子学院互联感知集成电路与系统团队在微电子学与集成电路领域国际顶级期刊IEEE Journal of Solid-State Circuits, （JSSC）上发表题为“A 120-GHz Class-F Frequency Doubler With 7.8-dBm POUT in 55-nm Bulk CMOS”的论文。互联感知实验室已在硅基毫米波太赫兹频率源研究方向取得了系列研究进展，成果发表在JSSC与微波领域国际顶级期刊IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，（TMTT）上。

随着新一代通讯技术5G毫米波/6G的演进发展，工作于毫米波及太赫兹频段的高速无线通讯系统已经成为未来移动通讯的研究热点。作为毫米波太赫兹高速通讯系统中最重要的组成部分之一，频率源是毫米波太赫兹信号产生的关键难点。而硅基（CMOS或BiCMOS等）频率源因其集成度高，成本低以及易于量产的优势也成了为了毫米波太赫兹源研究的一个重要方向。

团队博士生杨震针对CMOS 工艺，FET（Field Effect Transistor）谐波产生分析困难，首次采用EKV (Krummenacher–Vittoz) 模型对非线性器件的谐波产生及谐波调控进行分析，获取了目标谐波产生的最佳相位条件，该分析方法可扩展至各次谐波倍频的分析，对理解FET的非线性特性具有重要作用。基于该方法，论文提出了最优化二次谐波的相位条件及控制方法，F类二倍频器的架构也随之被提出。基于商用55-nm CMOS实现了120 GHz F类倍频器，输出功率达到7.8 dBm并实现了高效率，为硅基太赫兹倍频源的研制提供了理论支撑及技术支持。

团队博士生王志鹏基于电磁调控理论提出应用于5G/6G通信的多核频率可重构注入锁定倍频器, 利用马凯学教授国际上提出的多谐振荡器腔（multi-tanks）技术将二倍频和三倍频重构实现，在兼顾小型化与高效率的同时，实现了5G毫米波所需的20.7 GHz~43.8 GHz 的全频带覆盖。该款芯片是国际上首款2倍/三倍频率可重构注入锁定倍频器芯片, 在相同注入功率情况下，锁定带宽、输出功率、面积以及谐波抑制指标均处于国际领先，为5G毫米波多频段、多标准融合通信系统的实现提供了技术支撑。提出的应用于5G通信的低相位噪声Class-F23 VCO，解决传统谐波控制VCO的谐波阻抗峰值易受PVT影响发生偏移的问题，在无校准开关电容的情况下，实现极小1/f3噪声角波动。进一步结合基于电磁调控技术的可重构注入锁定倍频器、注入锁定驱动放大器，设计实现双频低相位噪声、高效率毫米波锁相频率源系统芯片SOC，完成对5G毫米波所需的 22.25~28.61 GHz和35.9~42.044 GHz 的双频带覆盖，在1 MHz 频率偏移处，实现了-104.1 dBc/Hz 和-100.67 dBc/Hz 的相位噪声。

天津大学微电子学院互联感知集成电路与系统团队是马凯学教授牵头依托“天津市成像与感知微电子技术重点实验室”成立，团队在射频、微波与太赫兹集成电路与系统和天线与传播领域具有良好的研究基础，团队科研坚持“四个面向”开展科技创新和应用落地，在上述领域牵头承担国家重大专项1项、国家重点研发专项2项、国家杰出青年科学基金1项，国家重点基金项目2项和其他多项课题。团队在5G毫米波/6G收发机芯片、相控阵芯片、高速通讯芯片及高精度太赫兹成像等方面开展了长期研究工作，聚焦毫米波太赫兹多频、多标准融合可重构技术难题，创新实现硅基毫米波多频段多标准融合SOC系统芯片。并与领域龙头企业合作推动5G毫米波及太赫兹成像的技术的落地应用。

论文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/10070744

https://ieeexplore.ieee.org/document/10068119

https://ieeexplore.ieee.org/document/9765630/

（来源：天津大学）