基于65纳米CMOS工艺的具有温度补偿功能的K波段四通道波束形成器 王策天（Cetian Wang）、 刘彦宁（Yanning Liu）、 廖学杰（Xuejie Liao）、 张帆（Fan Zhang）、 邓春（Chun Deng）、 刘颖（Ying Liu）、 孙文旭（Wenxu Sun）、 关赫（He Guan） 以及 周德云（Deyun Zhou）

《Micromachines》：A K-Band Four-Channel Beamformer with Temperature Compensation Based on 65 nm CMOS Process Cetian Wang, Yanning Liu, Xuejie Liao, Fan Zhang, Chun Deng, Ying Liu, Wenxu Sun, He Guan and Deyun Zhou

　　摘要：本文介绍了一种基于65纳米CMOS技术的K波段四通道相控阵波束形成器，该波束形成器具有温度补偿功能，适用于5G和卫星通信。该波束形成器包括一个四路功率分配器/合成器、四个射频通道以及数字控制电路。每个射频通道包含一个接收链路、一个发射链路和一对发射/接收（TX/RX）单刀双掷（SPDT）开关。接收链路由低噪声放大器（LNA）、六位反射式移相器（RTPS）、驱动放大器（DA）、两个温度补偿衰减器（TCAs）和一个六位衰减器（ATT）组成；发射链路则集成了功率放大器（PA）、两个TCAs、一个六位RTPS、一个DA和一个六位ATT。测试结果显示，在19–23 GHz的工作频率范围内，该芯片在接收模式下具有0–4.5 dB的增益、噪声系数（NF）< 7.8 dB、均方根（RMS）相位误差< 3.5°以及RMS增益误差< 0.4 dB。在21–23 GHz的发射模式下，其增益范围为6–10 dB、RMS相位误差< 3.4°、RMS增益误差< 0.25 dB，并且在1 dB压缩点（OP1dB）时的输出功率> 6.5 dBm。此外，当温度在-55°C到85°C之间变化时，接收和发射增益的变化分别控制在0.8 dB和0.4 dB以内。该波束形成器的尺寸仅为3.5 × 4.8 mm2，每个通道的功耗分别为110 mW（接收）和190 mW（发射）。

1. 引言
主动式相控阵波束形成技术是5G和卫星通信的关键 enabling 技术 [1,2,3,4,5,6]。这些系统需要多个波束形成器元件，这些元件必须满足小型化、成本效益和高性能的要求。精确的幅度和相位调节使得这些波束形成器能够生成定向的、电子可控的波束 [7,8,9]，从而减轻自由空间路径损耗，延长通信距离并实现空间复用，提高通信效率 [10,11]。在过去十年中，已经报道了许多基于III–V化合物和硅工艺的波束形成器 [12,13,14,15]。参考文献[12]介绍了一种基于3D堆叠芯片工艺的32–38 GHz GaAs四通道波束形成器，其RMS相位误差< 5.5°，RMS增益误差< 0.3 dB。3D堆叠芯片通过异构集成方式垂直集成了CMOS控制芯片、GaAs载波芯片和GaAs射频芯片。与GaAs工艺相比，基于硅的波束形成器由于成本效益和高集成度而在相控阵中得到了更广泛的应用。对于5G波束形成系统，参考文献[13]实现了一种65纳米CMOS技术的Ka波段四通道双向波束形成器，在26–32 GHz范围内测得的RMS增益误差< 0.5 dB，但相位移动分辨率相对较低，RMS相位误差接近7°。为了实现高分辨率的相位/幅度控制，参考文献[14]设计了一种65纳米CMOS技术的32.2–38.2 GHz宽带四通道波束形成器，该波束形成器采用了嵌入式三绕组变压器，测得的RMS相位误差< 1.66°，RMS增益误差< 0.18 dB。值得注意的是，确保相控阵系统在宽温度范围内的可靠性至关重要，因为温度变化通常会导致信号完整性的下降。为了缓解这一效应，已经开发了多种温度补偿（TC）策略，例如基于绝对温度比例（PTAT）电压的放大器 [16]、TC辅助的可变增益放大器（VGAs）[17] 和温度调节电压可变衰减器（VVAs）[18]，这些技术用于维持电路的恒定增益性能。最近，参考文献[15]报道了一种K波段SiGe BiCMOS四波束相控阵接收器，该接收器能够减少温度波动引起的增益变化，同时具有低衰减和小的相对相位变化；然而，该设计仅包含接收通道。随着主动式相控阵技术的发展，对多通道、多功能集成（包括温度补偿）和紧凑尺寸的波束形成器的需求正在增加。

本文介绍了一种基于65纳米CMOS技术的K波段四通道相控阵波束形成器。所提出的波束形成器占地面积仅为3.5 × 4.8 mm2，集成了多种功能，包括发射-接收放大、幅度衰减、相位移动、温度补偿和数字电路控制。本文的其余部分安排如下：首先描述了四通道波束形成器的架构，然后设计和分析了关键组件，最后展示了制造出的波束形成器的测量性能，并进行了讨论。

2. 架构设计概述
图1展示了所开发的相控阵波束形成器的框图。该芯片包含一个四路功率分配器/合成器、四个射频通道（分别标记为CH.0、CH.1、CH.2和CH.3）、模拟电路模块和数字控制电路。每个射频通道包括一个接收链路、一个发射链路和一对TX/RX SPDT开关。具体来说，接收链路由LNA、六位RTPS、DA、两个TCAs和一个六位ATT组成；发射链路则由PA、两个TCAs、一个六位RTPS、一个DA和一个六位ATT组成。图1所示的四通道波束形成器的框图。四路功率分配器/合成器由两个双向Wilkinson功率分配器组成，在发射模式下将单个射频输入（标记为COM）分成四个通道输出，在接收模式下将四个通道输入合并为一个输出。六位RTPS可实现总共354.375°的可控相位移动，相位步长为5.625°，从而实现精确的相位状态调节。相应地，六位ATT可实现总共23.5 dB的可控衰减，衰减步长为0.5 dB，便于精确调整幅度水平。位于接收链路前端的LNA具有高增益和低噪声系数（NF），这对于提高接收信号的信噪比（SNR）至关重要。位于发射链路输出端的PA能够提供足够的输出功率以满足系统要求。此外，接收和发射链路中集成的DA用于补偿六位RTPS和六位ATT引起的插入损耗，并为发射链路中的PA提供必要的驱动功率。位于每个通道的接收和发射链路接口处的TX/RX SPDT开关实现了发射和接收模式之间的可靠射频路径切换。嵌入在发射和接收链路中的TCAs专门设计用于减轻温度波动引起的放大器增益变化。通道设计采用了全差分架构，以有效抑制共模噪声并最小化通道间串扰 [19]。此外，为了便于芯片控制并提供稳定的直流偏置电压，芯片上集成了数字串行外围接口（SPI）电路、低dropout调节器（LDO）和偏置电路。

3. 电路设计
图2a展示了6位23.5 dB衰减器（ATT）的电路拓扑。该衰减器由一系列全差分开关π/T型衰减单元组成 [20,21,22,23]，提供0.2 dB、0.5 dB、1 dB、2 dB、4 dB和两个8 dB的衰减值。0.2 dB单元作为调节单元，用于补偿衰减偏差。0.2 dB、0.5 dB、1 dB和2 dB单元采用了简化的T型配置，以实现紧凑布局；特别是2 dB单元采用了两级串联的1 dB衰减结构。对于4 dB单元，采用了桥式T拓扑，并结合了并联尾电容，利用其低插入损耗和良好的阻抗匹配特性。在这种设计中，故意引入了并联尾电容以减轻衰减器引起的寄生相位移动。对于两个8 dB单元，选择了π型拓扑，因为它能够提供较大的衰减范围和低的寄生相位移动。所有衰减单元都经过独立优化，并按适当的顺序排列。重要的是，两个8 dB单元之间的距离被设计得当，以增强ATT的阻抗匹配。图2展示了数字衰减器的原理图和仿真结果。(a) 原理图。(b) 仿真衰减和RMS衰减误差。图2b展示了6位衰减器（ATT）的仿真衰减响应，表明这六个典型的衰减状态与理想衰减值非常吻合。此外，每个衰减状态在整个工作频率范围内表现出几乎相同的衰减幅度，从而实现了平坦的衰减特性。RMS衰减误差的计算公式如下：
??Δ,????????=√√ √ √ ?1???1???=??∑??=2|Δ?????|2
其中Δ????? (k = 2, …, N ? 1, N = 48)表示第k个衰减状态的相对衰减误差。在19 GHz频率下，所有48个衰减状态的RMS衰减误差均小于0.18 dB，并且随着频率的增加而减小。

反射式移相器（RTPS）可以实现大的相位移动、高线性和精细的相位移动分辨率 [23,24,25]。图3a展示了传统RTPS架构的电路拓扑 [24]。当输入信号被输入到输入端口时，90°耦合器会产生两个相位差为90°的信号。随后，这两个信号被通过端口和耦合端口处的相同反射负载反射，在隔离端口产生具有所需相位移动的输出信号。相位移动θ可以表示为：
??=?90?2?tan?1?(??????0)
其中XL是反射负载阻抗，Z0是90°耦合器的特性阻抗。显然，通过调节反射负载阻抗可以实现输出相位移动。随着XL从??????????变化到??????????，RTPS的相位移动范围可以表示为：
Δ???=?????????????????=2?tan?1?(????????????0)?2?tan?1?(????????????0)
图3展示了RTPS的原理图和仿真结果。(a) 单端RTPS电路的拓扑。(b) 原理图。(c) 仿真相位移动和RMS相位误差。基于上述相位移动理论，设计了一种采用反射负载配置的6位反射式移相器（RTPS），如图3b所示，可以实现5.625°、11.25°、22.5°、45°、90°和180°的相位移动。该拓扑包括一个90°混合耦合器、一对反射负载和电感元件。其中，90°混合耦合器使用具有宽带性能和小尺寸的变压器实现，用于将输入信号分成两个相位差为90°的信号。两个反射负载使用开关电容阵列构建，通过控制开关的开关状态来获得所需的相位移动范围。此外，在电容阵列之前引入串联电感器可以有效提高RTPS的相位调节分辨率。图3c展示了RTPS的典型相位状态仿真结果，表明实现了平坦的相位移动响应。此外，所有64个状态的相位移动精度可以通过RMS相位误差来量化，其定义如下：
??Δ,????????=√√ √ √ ?1???1???=??∑??=2|Δ?????|2
其中Δ????? (k = 2, …, N ? 1, N = 64)表示第k个相位移动状态的相对相位误差。如图3c所示，计算出的RMS相位误差在整个工作带宽内低于3.1°，在21 GHz附近达到最小值约0.5°。当频率偏离中心频率时，相对相位误差会增加，导致较低和较高频率端的相位移动精度略有下降。

图4展示了集成LNA、PA和TX/RX SPDT开关的电路原理图。PA的差分输出端和LNA的差分输入端直接与天线平衡器接口。TX/RX SPDT开关用于在接收和发射路径之间切换。由于可以通过启用或禁用LNA和PA的偏置电压来实现波束形成器的隔离性能，因此SPDT开关允许在插入损耗和隔离性能之间进行权衡，这通过采用传统的并行拓扑实现 [26,27]。为了进一步提高开关的电压承受能力和线性，实现了3串联NMOS晶体管拓扑。相应地，在连接到四路功率分配器的通道的另一端也集成了相同的TX/RX SPDT开关。PA（功率放大器）和LNA（低噪声放大器）都采用了差分级联放大架构设计：具体来说，LNA采用了单级级联放大结构，而PA则采用了两级级联放大结构，这得益于其高增益和大输出电压摆幅的优势，从而提升了输出功率性能。为了优化宽带特性和增益平坦度，采用了电感源退化技术和RC反馈网络[28,29,30,31]。值得注意的是，图1中展示的DA（数字放大器）采用了与LNA相同的放大结构。SPDT（单刀双掷开关）、LNA和PA电路的部分布局图显示在图4的顶部插图中。图4展示了所提出的LNA、PA和TX/RX开关的原理图。在图5a中，SPDT开关的插入损耗在操作频带内为-3.2 dB至-3.4 dB。ANT端口与RX端口之间以及TX端口与RX端口之间的隔离度优于-20 dB。图5b中模拟的开关P1dB大于17 dBm，P0.1dB超过10 dBm，表明该SPDT开关具有良好的线性度。图5c–f展示了带有和不带有SPDT开关的所提出的LNA和PA的模拟性能。级联的LNA和SPDT开关的增益为11.5–12.3 dB，噪声系数（NF）为6.5–6.7 dB，输入1 dB压缩点（IP1dB）高于-6.87 dBm，输入/输出回波损耗优于13.5 dB。由于SPDT开关位于LNA之前，其插入损耗使得NF和增益相对于独立LNA下降了3.2–3.6 dB。如图5e,f所示，组合的PA和SPDT开关的增益为23.4–24.4 dB，输出1 dB压缩点（OP1dB）超过7.6 dBm，输入和输出回波损耗优于16.5 dB。当SPDT开关级联在PA输出端时，输出功率和增益分别下降了3–3.3 dB。图5展示了SPDT开关、LNA和PA的模拟结果。(a) SPDT开关的插入损耗、隔离度和(b) OP1dB、OP0.1dB。(c) 与SPDT开关级联的LNA的模拟S参数(d) NF、IP1dB。(e) 与SPDT开关级联的PA的模拟S参数(f) OP1dB。TCA（温度补偿放大器）旨在补偿放大器中的温度引起的增益漂移。所提出的TCA的原理图拓扑结构如图6a所示，它包括一个控制电压的并联MOSFET（VSH）生成电路、一个衰减控制电路和一个RF衰减器。VSH和VSE电压用于偏置复制衰减器和RF衰减器中的串联和并联MOSFET，所有MOSFET均工作在三极管区域。VSH生成器基于ICTAT（电流温度绝对温度）原理生成一个与绝对温度成比例的电压VSH，可以直接应用于并联MOSFET的栅极。衰减控制电路由一个复制衰减器和一个反馈环路组成，用于自动补偿衰减器的等效阻抗变化，并相应地生成控制电压的串联MOSFET（VSE）。因此，通过施加相同的VSE和VSH偏置，可以实现RF衰减器所需的衰减水平，同时保持良好的输入/输出阻抗匹配。图6展示了不同温度下的模拟电路和插入损耗及相位变化。(a) 原理图。(b) 模拟插入损耗(c) 随温度变化（从-55°C到85°C）的相位变化。图6b,c显示了在-55°C到85°C范围内，以20°C为步长时的操作频带内的模拟S参数。TCA在25°C时的插入损耗为4 dB，在85°C和-55°C时的温度补偿分别为1.5 dB和1.7 dB。在TX和RX通道中集成两个TCA可以提供超过6 dB的强增益补偿能力。如图6c所示，S21的相位响应随温度变化，在整个温度范围内从-12°变化到-7.5°。

4. 测量结果
波束成形器采用65纳米CMOS工艺制造。所有测量均使用RF探针站、网络分析仪和电源进行，如图7所示。芯片的微照片显示其总面积为4.5 × 3.5 mm2，厚度为200 μm。芯片在3.3 V和2.0 V的偏压下工作以达到最佳性能。每个通道的直流功耗在发射模式下为189 mW，在接收模式下为110 mW。图7展示了波束成形器的测量设置和微照片。图8展示了波束成形器在接收模式下的测量性能。如图8a,b所示，波束成形器在19–23 GHz频率范围内实现了0–4.5 dB的接收增益，NF低于7.8 dB，IP1dB超过-20 dBm，输入和输出回波损耗优于12 dB。图8d以CH.0为参考，显示了接收增益的通道间一致性非常好，最大幅度和相位差异分别小于1 dB和15°。图8e,f中所有接收状态下的相对相位移动和衰减显示出在整个操作频带内的显著平坦性。为了验证相位和增益控制的精度，图8g展示了RMS相位和增益误差，分别限制在0.4 dB和3.5°以下。图8展示了波束成形器在接收模式下的测量结果。(a) S参数。(b) NF和IP1dB。(c) 幅度差异(d) 增益的相位差异。(e) 64种状态下的相位移动。(f) 48种状态下的衰减。(g) RMS相位和增益误差。在发射模式下，图9展示了同样令人印象深刻的测量结果。在21–23 GHz频段内，图9a,b显示发射增益为6–10 dB，OP1dB高于6.5 dBm，输入/输出回波损耗优于12 dB。图9c,d显示了发射增益的通道间一致性非常好，最大幅度和相位差异分别小于1 dB和15°。图9e,f中所有发射状态下的相对相位移动和衰减保持平坦响应，图9g中显示的RMS增益和相位误差分别低至0.25 dB和3.4°，证实了高精度的发射增益和相位移动控制。图9展示了波束成形器在发射模式下的测量结果。(a) S参数。(b) OP1dB。(c) 幅度差异(d) 增益的相位差异。(e) 64种状态下的相位移动。(f) 48种状态下的衰减。(g) RMS相位和增益误差。温度稳定性是一个关键的性能指标，如图10a,b所示，它展示了在不同温度下的接收和发射增益。当温度从-55°C变化到85°C时，接收增益的变化限制在0.8 dB以内，发射增益的变化在0.4 dB以内。这种出色的温度稳定性确保了波束成形器在极端环境条件下的可靠运行。图10展示了波束成形器在不同温度下的测量增益。(a) 测量的接收增益。(b) 测量的发射增益。最后，表1全面比较了所提出的工作与现有最先进波束成形器的性能。值得注意的是，与之前的工作相比，所开发的四通道波束成形器在RMS增益误差、RMS相位移动误差、温度补偿范围和功耗等方面表现出竞争力。表1展示了与之前报道的波束成形器的比较。

5. 结论
在这项工作中，设计、实现并使用65纳米CMOS工艺全面表征了一个K波段四通道相控阵波束成形器。所提出的波束成形器的每个通道包括一个LNA、一个PA、一对TX/RX SPDT开关、两个DA、两个六位RTPS（电阻-电容器-电容器开关）、两个六位ATT（电阻-电容器-电容器开关）和四个TCA。全面的测量结果验证了在接收模式下，芯片实现了0–4.5 dB的增益，NF低于7.8 dB，RMS相位误差小于3.5°，RMS增益误差小于0.4 dB。在发射模式下，它提供了6–10 dB的增益范围，RMS相位误差在3.4°以内，RMS增益误差为0.25 dB，OP1dB为6.5 dBm。在-55°C到85°C的温度范围内，接收增益的变化小于0.8 dB，发射增益的变化在0.4 dB以内。由于其卓越的性能，所开发的波束成形器在5G和卫星通信系统中具有重要的应用潜力。