一种用于Ka波段比特到射频（Bit-to-RF）并发多波束数字波束成形阵列的全数字输出相位控制发射器集成电路

《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》：An All-Digital Outphasing Transmitter IC for Ka-Band Bit-to-RF Concurrent Multibeam Digital Beamforming Array

Ka波段全数字正交下变频发射器IC设计，采用LC锁相振荡器数字相位调制器和四倍频器实现多波束数字波束成形，通过PVA线性化和ADPLL集成优化性能，在40nm CMOS工艺下达到0.54mm2/beam的紧凑面积和53mW/beam的低功耗。

　　

摘要：

本文首次提出了一种完全集成的Ka波段全数字移相发射器集成电路，用于实现比特到射频（bit-to-RF）的多波束数字波束成形（DBF）阵列。为了提高在毫米波（mmWave）频率下工作的数字系统的设计灵活性，该设计采用了移相架构，将信号数字化过程放在相位域而非幅度域中进行。文中采用了基于的注入锁定振荡器（LC-ILO）数字相位调制器（DPM）以及四倍器，以生成恒包络调制信号。所提出的四倍器降低了工作频率，并将相位移动范围限制在90°以内，从而使DPM能够在更好的线性范围内工作。为了获得较高的内在线性度，在DTX的DPM中采用了分段变容器阵列（PVA）线性化技术，在6–8GHz频率范围内，90°相位范围内的均方根相位误差可控制在0.38°–0.75°之间。此外，还集成了全数字锁相环（ADPLL），通过将时钟信号从高射频（RF）转换到参考频率来简化时钟分配电路。借助这些技术，一款低成本、工作频率为24.5–30GHz的DTX在40纳米CMOS工艺中实现，其核心面积仅为平方毫米。文中还展示了针对三个独立波束的比特到射频并发多波束成形功能，使用了均匀线阵（ULA）进行验证。该系统达到了业界领先的能量效率和面积效率指标，每个波束每个元件的功耗仅为53毫瓦，每个波束每个元件的面积仅为0.54平方毫米。