基于130纳米SiGe BiCMOS工艺的300GHz频段滑动中频I/Q接收机前端设计与实现

《IEEE Open Journal of the Solid-State Circuits Society》：A 300-GHz Band Sliding-IF I/Q Receiver Front-End in 130-nm SiGe Technology

本文报道了一种采用130纳米SiGe BiCMOS工艺的滑动中频 mixer-first I/Q接收机前端，该设计针对300GHz频段近fmax（0.69×fmax）操作难题，通过创新的架构将最高LO频率控制在fmax/2以下，显著降低了LO链功耗。研究成果显示，该接收机在310GHz处实现15.2dB转换增益、-17dBm输入压缩点和29.5dB单边带噪声系数，并成功演示了16-QAM（4GHz）、64-QAM（2GHz）和256-QAM（0.5GHz）调制信号的高精度解调（EVM分别达8.2%、5.5%和2.7%）。低增益模式下动态范围提升10dB且功耗降低30%，为6G太赫兹通信提供了高能效硅基解决方案。

　　

随着第六代移动通信（6G）技术蓝图的展开，太赫兹频段（300GHz左右）因其巨大的频谱资源潜力成为实现太比特每秒（Tb/s）级无线传输的关键战场。然而，当工作频率逼近晶体管最大振荡频率（f_max）时，传统接收机架构面临严峻挑战：低噪声放大器（LNA）的噪声系数（NF）会随频率线性攀升，而直接转换架构需要生成与载波频率相当的本地振荡（LO）信号，导致LO链功耗急剧增加。这些瓶颈严重制约了太赫兹频段集成电路在功耗敏感设备中的应用前景。

为解决这一难题，芬兰奥卢大学的研究团队在《IEEE Open Journal of the Solid-State Circuits Society》发表了一项创新研究，他们采用滑动中频（Sliding-IF）架构，在f_max为450GHz的130纳米硅锗双极互补金属氧化物半导体（SiGe BiCMOS）工艺上，成功设计出一款工作在300GHz频段的接收机前端。该设计通过将LO频率设置为载波频率的2/3（200GHz）和1/3（100GHz），巧妙地将最高LO频率控制在f_max/2以下，显著降低了LO信号生成的功耗需求。

研究团队通过几个关键技术实现了突破。接收机采用混频器优先（mixer-first）结构规避了近f_max下LNA的性能限制。LO链通过两级推挽式频率倍增器（frequency doubler）将外部50GHz信号倍频至200GHz和100GHz，并采用多级放大器（amplifier）进行功率优化。信号链核心为吉尔伯特单元（Gilbert-cell）结构的射频（RF）混频器和中频（IF）I/Q混频器，通过传输线（microstrip line）和金属-绝缘体-金属（MIM）电容实现阻抗匹配。此外，团队设计了宽带边耦合混合耦合器（quadrature hybrid coupler）生成正交LO信号，并利用数字模拟转换器（DAC）实现偏置精确控制。

测量结果部分通过连续波（CW）和调制信号测试验证了接收机性能。在310GHz工作频率下，接收机实现15.2dB转换增益（conversion gain），-17dBm输入参考1dB压缩点（input-referred compression point）和29.5dB单边带噪声系数（single sideband noise figure）。射频（RF）3dB带宽达26GHz，基带（baseband）3dB带宽为10GHz。最引人注目的是，该接收机在近f_max工作时仍能高质量解调高阶调制信号：16-QAM（4GHz带宽）误差矢量幅度（error vector magnitude, EVM）为8.2%，64-QAM（2GHz带宽）EVM为5.5%，256-QAM（0.5GHz带宽）EVM为2.7%。

研究还展示了接收机的可重构性：在低增益模式下，通过DAC辅助的偏置控制将信号链功耗降低30%，同时线性度改善10dB，动态范围显著提升。

结论与讨论部分强调，这项研究通过滑动中频架构成功实现了硅基工艺在300GHz频段的高能效接收机设计。与现有技术相比，该工作在保持接近f_max操作的同时，实现了优异的动态范围和调制解调能力。

研究人员指出，DAC辅助的增益控制和LO链功耗优化策略为未来高集成度太赫兹收发机提供了重要设计范式。这项工作不仅证明了硅基技术在6G通信系统中的可行性，更为太赫兹频段的高阶调制应用开辟了新的技术路径。