非对称毫米波大规模 MIMO 阵列的高度集成化离不开多通道毫米波收发芯片，借助多通道收发芯片可以极大缩小射频前端尺寸，降低由过长传输线引起的传输损耗。以下是两款多通道毫米波收发芯片的设计与测试情况，分别采用了65nm CMOS 工艺以及 130nm SiGe 工艺。

基于 65nm CMOS 工艺的多通道毫米波收发芯片

多通道硅基毫米波收发芯片包含了 4 通道硅基毫米波发射机芯片和 4 通道硅基毫米波接收机芯片。发射机芯片集成了四个发射通道和一个本振驱放功分网络，其中每个发射通道均由功率放大器、镜像抑制滤波器、上混频器及中频放大器等组成，本振驱动放大功分网络由驱动放大器和一分四功分器组成；接收机芯片集成了四个接收通道和一个本振驱动放大功分网络，其中每个接收通道均由低噪声放大器、镜像抑制滤波器、下混频器及中频放大器等组成，本振驱放功分网络由驱动放大器和一分四功分器组成。

为便于在大规模 MIMO 阵列中的扩展使用，四通道收发芯片布局采用左右各两个通道的布局方式，此时四个射频信号在左侧（左上、左下）和右侧（右上、右下）两个方向，对应的四路中频信号则在上方（上左、上右）和下方（下左、下右）两个方向，本振驱动信号从芯片的上方中间位置输入。这种布局方式非常适合于后续封装后与功率放大器或毫米波天线进行连接以及前端通信系统使用。

四通道硅基毫米波收发芯片采用 65nm CMOS 工艺加工实现，包含焊盘的芯片整体面积均为 3 mm×1.65 mm。对于四通道硅基毫米波发射机芯片，在 24.25~27.5GHz 工作频率范围，输入中频频率为 5GHz 时，测试实现发射输出 1dB 压缩功率 OP1dB≥15.4dBm，转换增益大于 30dB，镜像信号抑制大于 30dB.

对于四通道硅基毫米波接收机芯片，在输入工作频率为 24.25~27.5GHz，输出中频频率为 5GHz 时，测试实现接收噪声系数/通道≤6.2dB，转换增益大于 33dB，镜像信号抑制大于 45dB.

基于 130nm SiGe 工艺的多通道毫米波收发芯片

支持全数字波束成形阵列的 2×2 毫米波收发芯片将发射机和接收机分别设计，避免采用收发切换开关，可以提高发射机的功率和效率，同时降低接收机的噪声系数，提升发射通道与接收通道之间的隔离度，可以通过采用更少的通道来实现相同的链路信噪比。下面分别介绍发射芯片和接收芯片。

工作在 24 ~ 29.5GHz 频段的 2×2 通道发射机芯片的系统框图，发射机芯片包含四个上变频通道，一个 2 倍频链和一个 1 分 4 功分器，每个单边带混频器中均集成了尺寸紧凑的 90°立体耦合器，以有效地生成中频正交信号。每个上变频通道包括单边带上混频器、5 位可变衰减器、带通滤波器和功率放大器。

此外，发射机芯片还配备了 SPI 用于芯片控制，一个 2 位芯片地址以便多片级联，和一个外部开关引脚用于快速切换。 展示了该 4 通道发射机芯片的显微图，该芯片采用了 130nm SiGe 工艺制造，芯片尺寸为 3.6×5.2 mm2，采用 WLCSP 工艺封装，在不引入额外走线情况下降低封装对芯片整体性能的影响。每个芯片包含 89 个焊球，球间距为400μm，接地焊球阵列同时为多通道提供了内置屏蔽腔和散热。

封装芯片采用倒扣方式安装在 PCB 板上，测试结果每个通道在 24 ~ 30 GHz 频段内最大中频到射频转换增益为 21dB，增益波动小于 2.5dB。在15.5dB的幅度调谐范围内，幅度RMS误差为0.17dB@28GHz。实测最大OP1dB和 OIP3 分别为 21dBm 和 28dBm，平均值为 20dBm 和 27.5dBm。中频频率为 4GHz 时，在 24 ~ 29.5GHz 频段内镜像抑制大于 35dBc。在 24GHz 载频处，EVM低于-30dB 时，发射机的输出功率可达到 10.1dBm。随输出功率升高，发射机进入增益压缩区域，该区域的 AM-AM 和 AM-PM 性能会随之下降，EVM 随之恶化。

芯片包括四个相同的下变频通道，一个二倍频链和一个一分四功分器。为了便于多波束阵列扩展，芯片中的镜像抑制混频器中都集成了尺寸紧凑的 90°立体耦合器，以合成中频正交信号。每个下变频通道包括一个镜像抑制混频器、5 位可变衰减器、带通滤波器、平衡式驱动放大器和低噪声放大器。此外，接收机芯片配备了 SPI，2 位地址以支持级联，以及一个外部开关用于快速切换。

通道接收机芯片显微图，在系统布局方面，电路被布置在BGA 焊盘之间或下方以确保可靠性能和紧凑的布局，芯片四个射频端口对称分布在左右两侧。通过使用紧凑的 90°立体耦合器，八路中频走线合为四路，避免了边缘引脚资源紧张和 PCB 级开发板布线难的问题，四个中频端口对称地排列在芯片顶部和底部，本振输入端口位于下边缘中间位置。

芯片包括四个相同的下变频通道，一个二倍频链和一个一分四功分器。为了便于多波束阵列扩展，芯片中的镜像抑制混频器中都集成了尺寸紧凑的 90°立体耦合器，以合成中频正交信号。每个下变频通道包括一个镜像抑制混频器、5 位可变衰减器、带通滤波器、平衡式驱动放大器和低噪声放大器。此外，接收机芯片配备了 SPI，2 位地址以支持级联，以及一个外部开关用于快速切换。

通道接收机芯片显微图，在系统布局方面，电路被布置在BGA 焊盘之间或下方以确保可靠性能和紧凑的布局，芯片四个射频端口对称分布在左右两侧。通过使用紧凑的 90°立体耦合器，八路中频走线合为四路，避免了边缘引脚资源紧张和 PCB 级开发板布线难的问题，四个中频端口对称地排列在芯片顶部和底部，本振输入端口位于下边缘中间位置。

多通道毫米波 GaN 功率放大器芯片

为了应对毫米波空间损耗高、电尺寸小的问题，进一步提高非对称毫米波大规模阵列的输出功率，采用多通道毫米波 GaN 功率放大器芯片，结合多通道硅基收发芯片，实现高集成度、高效率的非对称大规模阵列系统。多通道毫米波 GaN 功率放大器芯片具有高集成度、高线性度、高效率的特点