近日，南方科技大学深港微电子学院助理教授潘权课题组在第五代（5G）毫米波通信系统集成领域取得新进展，成功开发出两款可覆盖全球所有国家5G频段的用于无线通信收发机的注入锁定分频器芯片。论文成果以“Tuning-Less Injection-Locked Frequency Dividers with Wide Locking Range Utilizing 8th-Order Transformer-Based Resonator”为题发表在集成电路设计领域顶级会议IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC) 2021上。这是南科大首次以第一单位在IEEE RFIC上发表高水平学术论文。2021年中国大陆地区仅有5篇论文录用。

近年来，随着 5G 商用化的步伐加快和对毫米波技术研究推进，移动通信正迎来一个全新的时代。目前，世界各国对于5G通信频段的划分各不相同，图1展示了目前世界上所有5G频段的划分情况。除了已经获得授权的频段之外，还有一些未授权的频段亟需开发。对于5G毫米波通信系统来说，超宽带和低功耗一直都是重要指标。为了构建一个适用于5G应用的超宽带毫米波收发器，频率综合器（PLL）是最重要的模块，而注入锁定分频器（ILFD）就是毫米波PLL中的卡脖子部分。目前世界上已发表的毫米波ILFD都不能同时覆盖所有5G授权和未授权的频段。因此，一个可以同时支持全球所有频段的超宽带注入锁定分频器至关重要。

图1 全球5G频段划分表

研究团队发现，注入锁定分频器的锁定范围和谐振腔的相位响应平坦度有着密切的联系，基于变压器的谐振腔阶数越高，其相位响应曲线在0°附近就越平坦，对应的锁定范围也越宽。然而，变压器的阶数并非越高越好，更高阶的变压器会导致相位响应曲线急剧下降，从而使得锁定范围变窄。研究团队通过大量的仿真实验和计算发现，基于八阶变压器的谐振腔的相位响应曲线在0°附近可以达到最平坦，从而实现最宽的锁定范围。同时，通过提出电感峰化技术，可以增强谐振腔的阻抗值，从而有效降低芯片的功耗。

                                              (a)                                                                               (b)                               

               图2 (a) 不同阶数的变压器相位响应示意图；(b) 八阶变压器设计示意图

该论文在基于TSMC 40nm CMOS工艺，清晰展示了两款采用同一八阶变压器的注入锁定分频器芯片，通过设计不同的电路参数，使一款芯片可满足超宽带应用，另一款芯片可实现最高能效比。其中第一款芯片实现了63.1GHz的频率锁定范围和10.9GHz/mW的能效比；第二款芯片实现了41GHz的频率锁定范围和26.6GHz/mW的能效比。

团队技术实现了世界上最宽的锁定范围和最高的能效比，可以覆盖全球所有5G毫米波频段，整体性能达到世界领先水平，为毫米波领域注入锁定分频器设计提供了一个可行方案，对5G通信的高频段多频带应用有着实际意义。

            (a)                                                                                    (b)

      图3 频率锁定范围：(a) 芯片#1；(b) 芯片#2

  图4 两款芯片的显微图

潘权的研究助理姜棋耀为本论文第一作者，潘权为该论文唯一通讯作者，南方科技大学为该论文唯一通讯单位。

论文链接：https://github.com/Fashingsky/YXD/blob/gh-pages/308-JG480.pdf