综述：6G通信中的亚太赫兹CMOS功率放大器：设计挑战与趋势

这篇综述全面探讨了6G通信系统中亚太赫兹(sub-THz)CMOS功率放大器(PA)的设计挑战与技术趋势。文章系统分析了CMOS工艺在95-300GHz频段实现PA的潜力与局限，对比了28种不同架构的电路设计策略，重点探讨了耦合线(CL)功率合成、变压器匹配网络(TMN)、Gmax核心等关键技术对增益(33.6dB)、饱和输出功率(32.1dBm)和功率附加效率(PAE 23.8%)等核心参数的优化效果，为6G射频集成电路(RFIC)设计提供了重要参考。

　　

亚太赫兹频段正成为6G通信的关键突破口

随着5G网络在支持人工智能(AI)、虚拟现实(VR)等新兴应用时显现局限，学术界将目光投向了具有更高传输速率(100Gbps-1Tbps)、更宽带宽的亚太赫兹(sub-THz, 95-300GHz)和太赫兹(THz)频段。这一技术飞跃的实现，离不开射频前端核心部件——功率放大器的突破性进展。

CMOS工艺的突破与挑战

在半导体工艺选择上，互补金属氧化物半导体(CMOS)技术凭借成本优势和良好的可扩展性，成为6G硬件设计的优选方案。然而当工作频率突破100GHz时，CMOS晶体管面临着输出电导高、截止频率(f_T)和最大振荡频率(f_max)受限等固有缺陷。数据显示，当前CMOS工艺的f_max仅达400GHz，远低于磷化铟(InP)等III-V族半导体超过1THz的性能表现。

功率放大器的关键性能指标

在sub-THz PA设计中，四大核心参数相互制约：

• 增益(Gain)：决定信号放大能力，sub-THz频段普遍维持在20dB左右
• 饱和输出功率(P_sat)：影响传输距离，最高达32.1dBm(128路合成)
• 功率附加效率(PAE)：反映能量转换效率，峰值达23.8%
• 线性度(OP1dB)：保证信号质量，最佳表现28dBm

创新电路架构百花齐放

为突破性能瓶颈，研究者开发出多种创新设计：

1. 功率合成技术：128路耦合线(CL)架构实现32.1dBm输出，4路Chebyshev人工传输线保持28GHz带宽
2. 增益提升方案：G_max核心配合三元件嵌入网络，增益提升至33.6dB
3. 线性化改进：二极管预失真使OP1dB达12.5dBm，Cold-FET线性器扩展工作区间
4. 结构创新：22nm FD-SOI工艺中采用skip-layer过孔，降低寄生损耗

热管理与效率优化

高频工作带来的热效应不容忽视。采用可堆叠小型晶体管(6鳍/15指)的设计，通过优化布局增强散热；动态偏置技术根据输入功率自适应调整背栅偏置，使PAE在功率回退时仍保持7.7%。值得一提的是，Doherty架构在sub-THz频段的应用仍面临阻抗变换器效率低下的挑战。

未来发展方向

随着6G商用进程加速(预计2030年)，sub-THz PA设计仍需突破：

• 开发新型宽带线性化技术应对GHz级调制带宽
• 优化三维集成方案解决散热与面积矛盾
• 探索硅基氮化镓(GaN-on-Si)等混合工艺可能性
• 发展智能自感知数字预失真(DPD)算法

这些技术进步将共同推动6G通信实现其承诺的Tbps级传输、0.1ms超低时延和厘米级精确定位等关键性能指标，为数字孪生、自动驾驶等革命性应用奠定基础。