近日，南方科技大學(xué)工學(xué)院國(guó)家示范性微電子學(xué)院方小虎團(tuán)隊(duì)在寬帶射頻與毫米波集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得多項(xiàng)重要研究進(jìn)展。圍繞高能效功率放大器、毫米波射頻開關(guān)以及超寬帶低噪聲放大器等關(guān)鍵射頻前端模塊，團(tuán)隊(duì)在理論創(chuàng)新與工程實(shí)現(xiàn)方面均取得突破性成果。研究成果包括：一是一款工作在0.6–3.6 GHz的超寬帶功率放大器；二是設(shè)計(jì)了一款寬帶毫米波高線性DEPA；三是提出并實(shí)現(xiàn)了一種寬帶緊湊型 GaN MMIC SPDT開關(guān)；四是設(shè)計(jì)了一款10-30 GHz的低噪聲放大器。相關(guān)論文成果一和二已經(jīng)發(fā)表于微波電路領(lǐng)域頂級(jí)期刊IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques（SCI收錄，中科院JCR I區(qū)）；論文成果三發(fā)表于IEEE Solid-State Circuits Letters；論文成果四將發(fā)表于IEEE Microwave and Wireless Technology Letters。

1. 超寬帶多象限阻抗調(diào)制理論研究

針對(duì)傳統(tǒng)負(fù)載調(diào)制功率放大器因匹配網(wǎng)絡(luò)相移引入的固有帶寬限制問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了網(wǎng)絡(luò)相移與調(diào)制象限之間的內(nèi)在聯(lián)系。通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撏茖?dǎo)，首次證明當(dāng)主放大路徑相移隨頻率變化時(shí)，可在無(wú)開關(guān)式G 類模式與 Doherty 模式之間實(shí)現(xiàn)帶內(nèi)平滑過(guò)渡。

基于該機(jī)制，本文研制了一款工作于0.6–3.6 GHz 的超寬帶功率放大器。測(cè)試結(jié)果表明，該功放在全頻段內(nèi)飽和輸出功率達(dá)到 38.7–40.2 dBm；在 6 dB 和 7.5 dB 回退點(diǎn)，漏極效率分別可達(dá) 44%–57% 和 40%–57%。在 40 MHz 帶寬、7.5 dB 峰均比的 256-QAM 調(diào)制信號(hào)激勵(lì)下，平均漏極效率達(dá)到 38%–50%，經(jīng)數(shù)字預(yù)失真后，誤差矢量幅度低于 1.1%，鄰道泄漏功率比優(yōu)于 –45 dBc，充分驗(yàn)證了該方法在寬帶高線性應(yīng)用中的可行性。

方小虎老師作為本文的第一作者，董昊倪和石杰為論文的第二和第三作者。董昊倪是南科大2024屆在讀碩士研究生（也是南科大本科畢業(yè)生），石杰是南科大2022屆博士研究生。該論文得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。

論文[1]中的超寬帶多象限阻抗調(diào)制性放大器功放架構(gòu)及實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

2. 基于MMIC工藝環(huán)境的寬帶高能效功放實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究

面向毫米波系統(tǒng)對(duì)高能效與高線性度的迫切需求，團(tuán)隊(duì)開展了分布式高效功率放大器（DEPA）在 MMIC 工藝環(huán)境下的實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究。通過(guò)深入分析 DEPA 中的非線性機(jī)理，研究揭示了兩項(xiàng)關(guān)鍵理論特性：一是輸出網(wǎng)絡(luò)所具有的增益擴(kuò)展能力，二是輸入網(wǎng)絡(luò)非線性對(duì)功率分配比的影響規(guī)律。研究表明，通過(guò)協(xié)同調(diào)控輸入與輸出網(wǎng)絡(luò)非線性特性，可有效補(bǔ)償晶體管增益壓縮，從而顯著提升整體線性度。

在電路實(shí)現(xiàn)層面，基于0.15 μm GaN-on-SiC 工藝，本文實(shí)現(xiàn)了一款寬帶高線性DEPA。在 400 MHz 帶寬、峰均比 9.65 dB 的 5G NR 64QAM 信號(hào)激勵(lì)下，該放大器在 24.25–29 GHz 和 29–30.3 GHz 頻段內(nèi)分別實(shí)現(xiàn)了 超過(guò) 20% 和 16.9% 的平均功率附加效率，同時(shí)始終保持低于 –25 dB 的均方根誤差矢量幅度，展現(xiàn)出優(yōu)異的寬帶、高線性與高效率綜合性能。

方小虎老師作為本文的第一作者，代文琪和石杰為論文的第二和第三作者。代文琪是南科大2025屆在讀博士研究生（也是南科大2022屆本科畢業(yè)生，碩轉(zhuǎn)博），石杰是南科大2022屆在讀博士研究生。該論文得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。

論文[2]中設(shè)計(jì)的芯片照片以及調(diào)制信號(hào)測(cè)試結(jié)果

3、多通帶單刀雙擲及單刀單擲射頻開關(guān)的設(shè)計(jì)技術(shù)研究

射頻開關(guān)是毫米波射頻前端系統(tǒng)中的關(guān)鍵功能模塊。針對(duì)GaN-on-SiC 工藝下傳統(tǒng)低通型匹配網(wǎng)絡(luò)在高頻段難以兼顧寬帶與高隔離的問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)圍繞毫米波射頻開關(guān)開展了系統(tǒng)性研究。

本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于改進(jìn)型π 網(wǎng)絡(luò)的寬帶緊湊型 GaN MMIC SPDT 開關(guān)結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)開關(guān)導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)等效電路的深入分析，改進(jìn)型 π 網(wǎng)絡(luò)能夠有效補(bǔ)償隔離路徑中的寄生電感與電容效應(yīng)，在保證低插入損耗的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)寬帶阻抗匹配與高隔離度。

基于0.15 μm GaN-on-SiC 工藝實(shí)現(xiàn)的 SPDT 開關(guān)在 10–28 GHz 頻段內(nèi)插入損耗低于 2.1 dB，隔離度超過(guò) 42 dB，IIP3 高達(dá) 50 dBm，兼具寬帶、高隔離與高線性特性。進(jìn)一步地，團(tuán)隊(duì)將研究拓展至多通帶 SPST 開關(guān)設(shè)計(jì)，通過(guò)引入帶通匹配網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了 15–40 GHz 頻段內(nèi)低損耗與高隔離度的統(tǒng)一，為高功率毫米波射頻前端提供了可靠的工程解決方案。

王朝榕為論文的第一作者，方小虎老師作為本文的通訊作者。王朝榕是南科大2023屆在讀碩士研究生。該論文得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。

論文[3]中設(shè)計(jì)的芯片照片以及測(cè)試結(jié)果

4、高性能超寬帶低噪聲放大器設(shè)計(jì)技術(shù)研究

面向新一代寬帶接收系統(tǒng)的應(yīng)用需求，團(tuán)隊(duì)開展了高性能超寬帶低噪聲放大器設(shè)計(jì)技術(shù)研究。通過(guò)引入創(chuàng)新性的電感反饋網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合電容、電感與電阻構(gòu)成可調(diào)反饋回路，研究建立了基于晶體管小信號(hào)模型的數(shù)值優(yōu)化方法，在增益平坦度與噪聲性能之間實(shí)現(xiàn)有效平衡。

本文最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款覆蓋10–30 GHz 的超寬帶低噪聲放大器。測(cè)試結(jié)果表明，該 LNA 在全頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn) 25.1–28.1 dB 的增益、2.1–3.4 dB 的噪聲系數(shù)，輸入輸出回波損耗分別優(yōu)于 –8 dB 和 –10 dB。該成果在超寬帶條件下兼顧了高增益與低噪聲性能，為毫米波接收前端提供了高性能硬件支撐。

黃維為論文的第一作者，方小虎老師作為本文的通訊作者。黃維是南科大2025屆在讀博士研究生。該論文得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。

論文[4]中設(shè)計(jì)的芯片照片以及測(cè)試結(jié)果