在5G非连续多频段通信场景中，毫米波下变频器作为射频前端的核心模块，需同时满足双频段覆盖、高线性度、低功耗三大关键需求。近日，天津大学微电子学院马凯学教授团队在该领域取得重要突破，相关成果以“A Reusable Superheterodyne Dual-Band Down-Conversion Mixer With Hybrid Linearity-Enhanced Technique for 5G Non-Contiguous Multiband NR”为题，发表于国际顶级期刊《IEEE Journal of Solid-State Circuits》，为 5G 毫米波FR2频段通信系统提供了高性能芯片解决方案。

为解决双频段对多个本地振荡器（LO）的依赖，团队设计基于高中频（IF=6 GHz）的可复用超外差架构，通过“LO±IF”频率规划，仅需30-36 GHz单LO，即可实现24-30 GHz（LO-IF）与36-42GHz（LO+IF）双频段下变频，LO带宽需求减少50%，避免多LO带来的相位噪声与功耗问题；两个混频核心共享LO正交生成链路（QGL）与IF正交合成网络（QSN），通过Mode1/Mode2切换实现双频段独立工作，芯片面积仅1.47mm²，较传统并行架构缩小30%。

图1.基于简化通用接收机的两种场景（a）和（b）；（c）基于传统哈特利架构的混频器射频通路示意图（d）P₂与 P₃之间随频率变化的仿真失配情况（e）高边注入、（f）低边注入模式下，基于特定目标频点的 P₂或 P₃引起的仿真失配情况（g）不同幅度和相位失配下的仿真边带抑制比（h）所提双频段下变频器的频率规划与设计理念

为解决线性度优化的单一性问题，团队融合“最优偏置+反馈+前馈”三重机制，提出HLET技术。将射频跨导级（RF stage）偏置为AB类（VGS 略高于阈值电压）、LO 开关级偏置为饱和区，在保证转换增益（CG）的同时，为线性增强奠定基础，实测IP₁dB较 Class A偏置提升2.3dBm；创新将跨导级漏极电感（LD）与源极退化电感（LS）通过磁耦合（耦合系数 KC）形成负反馈，通过调节KC动态优化等效跨导，使IP₁dB在28/37/39GHz分别达11.32/11.06/9.85dBm，较传统源极退化提升3.5dBm。HLET 技术首次实现IP₁dB与IIP3的同步突破，动态范围较同类设计扩大15%，可耐受强干扰信号而不出现失真。

图2.（a）所提出的混合线性增强技术（HLET）（b）恒定输出压缩点下，不同转换增益（CG）对应的1dB压缩点变化（c）传统吉尔伯特单元混频器中，射频级与本地振荡器级不同偏置条件下的仿真结果

为实现双频段阻抗匹配与信号转换，团队设计系列新型无源组件，解决毫米波频段寄生效应难题。采用三层金属堆叠结构，相比传统边缘耦合变压器，耦合系数调节范围扩大40%，在24-42GHz频段内实现< -10 dB的反射系数（S₁₁），且底部绕组品质因数（Qs）提升25%；在IF频段采用单层厚金属螺旋结构，核心面积仅324×138μm²，幅度不平衡< 0.18dB、相位不平衡< 2.96°，实现差分-单端信号高效转换。

图3.（a）三明治耦合变压器的集总模型电路与电磁模型（b）所提螺旋边缘耦合Marchand巴伦的等效模型、电磁模型及其仿真结果（c）所提变压器耦合器的集总模型电路、电磁模型及其仿真结果（d）所提变压器正交网络的集总模型电路、电磁模型及其仿真结果

基于55nm体硅CMOS工艺流片的原型芯片，实测性能达到国际领先水平：24-30GHz与36-42GHz双频段内，IP₁dB达9.85-11.32dBm，IIP3达20.8-23.6dBm，同时实现高线性度与宽动态范围，在同类CMOS变频器中排名第一；LO-RF隔离> 32.7dBc、LO-IF隔离> 58.6dBc，有效避免LO泄漏；边带抑制比达27.2dB，支持额外外部滤波进一步提升抗干扰能力；1.2V供电下功耗仅26mW，较同类双频段设计降低30%；芯片总面积1.47mm²（含焊盘），较并行通道架构缩小25%；在28/38GHz频段下，64 QAM调制信号的均方根误差向量幅度分别为1.07%/1.42%，支持3 Gb/s高速数据传输，满足5G NR 要求。

本文的研究工作受到国家重点研发计划的资助，资助编号为2018YFB2202500.

文章索引：10.1109/JSSC.2024.3399125