在5G毫米波通信、相控阵雷达等前沿领域，精准的相位与幅度控制是实现高效波束赋形、提升信号质量的核心。近日，天津大学微电子学院王科平教授团队在Ka频段（32-38GHz）可变增益移相器（VGPS）研究中取得重要突破，相关成果以 “Design and Analysis of Ka-Band Variable-Gain Phase Shifter With Impedance-Invariant Vector Modulation” 为题，被国际顶级期刊《IEEE Journal of Solid-State Circuits》接收，为高性能毫米波相控阵系统提供了关键芯片解决方案。

传统VGA因偏置电流变化，端口阻抗实部波动可达35Ω、虚部波动超275Ω，严重破坏IQ发生器的信号精度。团队创新设计负反馈磁耦合补偿网络，通过耦合电感与反馈电阻协同作用，从根本上解决了VGA与IQ发生器之间的阻抗匹配问题，为后续高精度信号调制奠定基础。

图1. 带有负反馈磁耦合（NFMC）补偿的阻抗不变可变增益放大器（IIVGA）的小信号等效电路。（a）用于简化分析的整体电路结构（b）共基极（CB）级的小信号模型（c）共射极（CE）级的小信号模型

相位偏差是影响移相器性能的关键指标，传统设计中 VGA 的相位偏移常导致整体误差超过 10°。团队通过分析共射极（CE）与共基极（CB）放大级的相位特性，发现并基于二者相位变化趋势完全相反这一特性，将CE与CB级级联，实现相位偏差相互抵消，总相位波动从 135°降至2.3°，结合NFMC技术后，在35.5GHz中心频率下，移相器模式的均方根相位误差仅0.33°，增益模式误差低至0.23°，达到国际领先水平。

图2. 阻抗不变可变增益放大器（IIVGA）的相位变化分析。（a）误差分析；（b）IIVGA 的简化示意图；（c）理想条件下的理论相位变化；（d）共射极（CE）级、共基极（CB）级及整体阻抗不变可变增益放大器的相位变化；（e）负反馈磁耦合（NFMC）结构实现的相位补偿效果

为在有限芯片面积内实现高分辨率控制，团队优化电路架构与版图设计：采用折叠式兰格耦合器（Lange Coupler），在32-38GHz频段内实现89.6°相位差，幅度误差仅0.12dB，且通过补偿电容抵消寄生阻抗影响；采用集总参数π型网络，结合传输线补偿技术，将端口匹配从-20dB优化至-30dB，隔离度显著提升；采用11位RDAC，实现7位相位下360°全覆盖与4位增益（7.5dB 动态范围）控制，兼顾精度与功耗。

图3. 阻抗不变可变增益放大器版图设计（a）阻抗不变可变增益放大器（IIVGA）的整体版图；（b）共基极（CB）级的版图；（c）输出阻抗匹配方案

基于130nm SiGe BiCMOS工艺流片的VGPS原型，在32-38GHz频段内展现出优异性能: PS 模式下rms相位误差 0.33-1.61°、幅度误差0.10-0.72dB；VGA模式下rms相位误差0.23-0.62°、幅度误差0.08-0.26dB，均处于国际前列；3dB带宽覆盖 32-38GHz（ fractional BW 16.7%），1dB压缩点（IP1dB）稳定在- 6.4至- 5.5dBm，满足强信号场景需求；总功耗仅7.4-12.2mW;噪声系数（NF）在35.5GHz下为11.8dB，与低噪声放大器（LNA）级联后，系统噪声可控制在6dB以内，满足接收机性能要求。

本文的研究工作得到了国家自然科学基金的资助，资助编号为U24B20163。

论文信息：Q. Zhang, Y. Lai, K. Wang. Design and Analysis of Ka-Band Variable-Gain Phase Shifter With Impedance-Invariant Vector Modulation[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2025, Early Access: 1-13. https://doi.org/10.1109/JSSC.2025.3552990.