陈文华：基于22nm FD-SOI CMOS的毫米波与太赫兹电路设计
随着5G技术的商用化和6G研究的启动，毫米波（mm-Wave）和太赫兹（THz）频段因其丰富的频谱资源和极高的数据传输速率，成为下一代无线通信系统的关键技术。
“毫米波与太赫兹技术不仅能够显著提升网络容量和速度，还能支持多样化的应用场景，如超高清视频传输、虚拟现实、远程医疗和自动驾驶等。”在9月25日于上海举办的第十届上海FD-SOI论坛上，清华大学电子工程系陈文华教授在题为《基于22nm FD-SOI CMOS的毫米波与太赫兹电路设计》的演讲中说道，“未来网络（B5G/6G）将支持大规模多通道波束成形，推动相控阵系统向更高频率、超大规模、多波束、宽带及全集成低成本方向发展。”为此，其团队依托格罗方德（GlobalFoundries）22nm FD-SOI CMOS工艺平台，开展了一系列关键射频前端电路的设计与优化。
清华大学电子工程系陈文华教授
FD-SOI CMOS：毫米波/太赫兹应用的理想平台
技术优势解析
FD-SOI（Fully Depleted Silicon On Insulator）CMOS技术以其独特的结构优势，在毫米波与太赫兹应用中展现出卓越的性能。
陈文华教授详细介绍了FD-SOI CMOS的几大核心优势：
高fT/fMAX：22nm FD-SOI CMOS工艺中的NFET和PFET分别具有350GHz/325GHz和296GHz/293GHz的高特征频率（fT）和最大振荡频率（fMAX），为高频应用提供了坚实的性能基础。
低器件失配：FD-SOI CMOS的器件失配（1.5mV-μm）显著低于传统体硅CMOS，有助于提高电路的精度和稳定性。
低1/f噪声：在22nm FD-SOI工艺中，nSLVT和pSLVT晶体管的1/f噪声较低，提高了电路的信噪比。
灵活的后栅偏压控制：FD-SOI CMOS的后栅偏压能力允许通过调整后栅电压来改变晶体管的阈值电压，从而优化电路性能。
与传统技术的对比
相比传统的体硅CMOS和III-V族化合物半导体技术，FD-SOI CMOS在成本、集成度和功耗方面具有显著优势。陈文华教授强调，FD-SOI CMOS不仅实现了低成本和高集成度，还通过优化的器件结构和工艺，达到了与III-V族化合物半导体相媲美的高频性能，还能实现高性能模拟/射频设计，成为毫米波与太赫兹应用的理想选择。
相移器、功率放大器与信号源的突破
相移器：宽带低误差的矢量调制技术
在相控阵系统中，相移器是实现波束控制的关键组件。陈文华教授团队提出了一种基于互补增益控制（CGVGA）的宽带矢量调制移相器，工作频率范围覆盖24-38GHz。
该设计通过以下创新点实现了卓越的性能：
对称布局：采用更对称的布局减少互连寄生效应，提高电路的稳定性和一致性。
极点调谐电感：在两级多相位滤波器（PPF）之间加入极点调谐电感，扩展了带宽并改善了频率响应。
交叉耦合结构：通过交叉耦合结构抵消MOSFET的米勒电容，减少了相位变化，提高了相位精度。
实验结果显示，该移相器在32种相位状态下，最大均方根（rms）相位误差仅为0.85°，最大rms增益误差为0.12dB，展现了极低的相位和增益误差。
功率放大器：三管堆叠突破输出功率限制
功率放大器是无线通信系统中的核心组件，其性能直接影响系统的输出功率和效率。陈文华教授团队设计了一款23-29GHz的三管堆叠式功率放大器（PA），通过以下关键技术实现了高性能：
两级结构：采用驱动级和输出级的两级结构，通过变压器实现输入、级间和输出的匹配，提高了放大器的增益和稳定性。
三堆叠FET结构：输出级采用三堆叠FET结构，结合类AB偏置和栅极电容增强技术，显著提高了输出功率和功率密度。
无电感设计：通过优化电路设计，避免了使用电感，减少了芯片面积和成本。
测试结果表明，该PA在25GHz时峰值功率达到19.6dBm，饱和输出功率超过18dBm，功率附加效率（PAE）最大值为20.2%，功率密度高达1936.2mW/mm²，突破了SOI工艺下输出功率的限制。
信号源：六倍频器实现宽带高效率
在太赫兹频段，信号源的设计面临巨大挑战。陈文华教授团队研制了一款127-162GHz的六倍频器，采用三倍频器-放大器-二倍频器（FT-DA-PPFD）链式结构，结合宽带补偿变压器平衡网络，实现了宽带和高效率的频率扩展。
该设计的主要创新点包括：
链式结构：通过三倍频器、放大器和二倍频器的组合，实现了从低频到高频的高效频率转换。
宽带补偿变压器平衡网络：采用宽带补偿变压器平衡网络，改善了频率响应和平衡性，提高了转换效率。
低功耗设计：通过优化电路设计和工作条件，实现了低功耗运行，功耗低于50mW。
实验数据显示，该六倍频器在127-162GHz频段内输出功率达到5.1dBm，峰值DC-RF转换效率为8.49%，验证了其在太赫兹频段的高效性能。
FD-SOI引领毫米波与太赫兹未来
陈文华教授的演讲充分展示了FD-SOI CMOS技术在毫米波与太赫兹电路设计中的巨大潜力和优势。通过不断创新和优化，课题组在相控、功率放大和信号源等关键领域取得了显著成果，为未来6G通信和太赫兹应用提供了强有力的技术支持。
随着技术的不断进步，FD-SOI CMOS有望在毫米波和太赫兹领域发挥更加重要的作用，推动通信系统向更高频率、更大容量和更低成本的方向发展。
