科研聚焦|南科大深港微电子学院刘小龙课题组在毫米波芯片设计领域取得重要突破

2025-09-26 科研聚焦 浏览量：98

近日，南方科技大学深港微电子学院刘小龙课题组在毫米波通信芯片设计领域取得重要突破，相关研究成果被国际顶级期刊IEEE TMTT和IEEE TCAS-I录用。指导的21级本科生获得2025年IEEE UCMMT会议最佳学生论文奖提名。

论文1：毫米波低噪声放大器芯片

相关研究成果“A 22.4-to-35-GHz Two-Stage Low-Noise Amplifier With Triple-Coupled Transformer-Based Input Matching Technique in 65-nm CMOS” 被集成电路设计领域顶级期刊IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques (TMTT)录用。该论文的第一作者为刘小龙课题组2023级博士生张弼弘，通讯作者为刘小龙老师，第一单位为南方科技大学。

毫米波收发系统在K/Ka波段应用中（5G/6G毫米波通信、卫星通信和无线传感）发挥着重要作用。低噪声放大器（LNA）作为接收机的第一有源级，对接收系统的噪声系数和灵敏度起到决定性作用。随着对多频段、多标准通信需求的不断增长，高性能低噪声放大器需要在目标频段实现宽输入匹配、低噪声系数、高线性度以及足够的增益。

图1. 毫米波低噪声放大器电路和芯片显微图

论文2：毫米波振荡器芯片

相关研究成果“A Class-F23 CMOS Oscillator With Second and Third Harmonic Resonances Expansion” 被集成电路设计领域顶级期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers (TCAS-Ⅰ)录用。该论文的第一作者为刘小龙课题组2024级博士生田硕，通讯作者为刘小龙老师，第一单位为南方科技大学。

作为高速无线和有线收发系统的核心模块，毫米波振荡器的频谱纯度直接影响通信质量。在低功耗约束下，如何降低毫米波振荡器的相位噪声仍是一项关键挑战。谐波整形技术通过在二次或三次谐波处产生额外的谐振峰，能够有效抑制负阻耦合对的闪烁噪声和热噪声。但是，在毫米波频段，为了实现高次谐波对准，额外引入的高损耗电容阵列会导致毫米波振荡器整体性能恶化。

本研究工作提出了一种无需二次及三次谐波调谐的毫米波振荡器，提升了相位噪声性能。通过采用多线圈耦合变压器组成的谐振腔，实现了三次谐波频率下的差模谐振展宽。因此，在无需额外使用低品质因数的开关电容阵列下，该设计可以实现基频和三次谐波对准，从而有效提升了谐振腔的品质因数。同时，采用双线圈变压器组成的谐振腔进行尾部滤波，能够在二次谐波频率下实现共模谐振展宽，进一步优化噪声性能。该毫米波振荡器芯片的调谐范围为18.5~22.4 GHz，实现了189.1 dBc/Hz的优值。

图2. 毫米波振荡器电路和芯片显微图

论文3：宽带毫米波低噪声放大器设计

相关研究成果“A 23.4-to-46.6GHz CMOS LNA Using Compact Transformers for Broadband Matching and Gm Boosting” 于2025年8月25-28日在南京举办的第18届IEEE毫米波与太赫兹技术联合会议（IEEE United Conference on Millimeter Waves and Terahertz Technologies, UCMMT 2025）上报告，并获得最佳学生论文奖提名（本次会议共录用455篇论文，其中23篇论文入选最佳学生论文决赛）。该论文的第一和第二作者为刘小龙课题组21级本科生王堉同和刘鉴辉，通讯作者为刘小龙老师，第一单位为南方科技大学。

图3. 最佳学生论文奖提名证书

面对日益增长的毫米波通信需求，本工作基于CMOS工艺实现了一款宽带毫米波低噪声放大器。通过创新性地利用电路输入端的寄生电容，在提高输入匹配带宽的同时规避了传统设计中牺牲增益与噪声性能的折中，完善了毫米波低噪声放大器的输入匹配网络模型。同时，输入级和级间耦合变压器的引入使整体电路获得了带宽拓展、增益增强和更好的噪声抑制，从而全面提升了毫米波低噪声放大器的性能。所设计的低噪声放大器的3-dB增益带宽为23.4~46.6 GHz，峰值增益为18.3 dB，噪声系数为2.5 dB。

关于UCMMT：大会始于2008年，由英国伦敦皇家协会和中国国家留学基金委发起，每年由中国和欧洲国家轮流举办，旨在推动毫米波与太赫兹科技合作与交流，呈现毫米波与太赫兹领域发展近况。

上述研究工作得到了国家自然科学基金和广东省自然科学基金项目的支持。

期刊论文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/11162927

https://ieeexplore.ieee.org/document/11062896