毫米波宽带综合化信道技术研究进展与展望*

黄　建

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)



毫米波宽带综合化信道技术研究进展与展望*

黄建

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

根据现代毫米波频段军民用电子信息系统并行多功能、全频带、集成化发展趋势，提出了毫米波综合化信道技术发展需求。综述了国内外宽带综合化信道架构和关键技术研究进展，提出了基于可配置宽带毫米波前端的信道架构、全信道单片集成、超导技术、宽带线性固态功放等毫米波综合化信道技术发展方向，给出了开展毫米波宽带综合化信道技术研究的建议。

毫米波；射频综合化;收发信道;软件定义无线电;关键技术；研究进展

1　引　言

信息技术的迅速发展必将深刻改变未来战争形态，信息战将逐渐成为主要的作战形式，信息优势将成为决定胜负最重要的作战优势。射频(Radio Frequency，RF)技术是目标信息、战场态势、情报、指控等军事信息获取、传输、分发的主要途径以及信息化作战的主要手段之一，制信息权要求军事电子信息系统必须具有宽频谱射频信号感知、截获、处理、发射能力，而射频综合技术能够大大增强这种能力。现代武器系统协同作战、多任务并行、远程精确打击和信息化战场生存能力要求电子信息装备多功能一体化，同时满足集成化、小型化、轻量化、低功耗、高可靠等要求，以提高信息化作战综合效能，射频综合技术是实现多功能一体化集成的有效技术途径。射频综合技术采用通用化、开放式、软件可配置架构，可降低装备成本，缩短研制周期，实现军事电子装备的新技术插入和快速升级换代。因此，射频综合技术是未来电子信息装备发展的主要方向，受到各军事强国的高度重视和大力推动。美国20世纪末提出了基于开放式系统架构的多功能一体化集成、可重构、可扩展的射频综合化航空电子系统，采用标准化、通用化、可互操作模块和软件实时控制与调度技术实现射频资源共享[1]，开展了电子战综合射频传感器研发[2]。瑞典提出了M-AESA计划，开发综合雷达、电子战和数据链功能的宽带共享相控阵孔径，并研发独立于平台的下一代综合化射频微波技术[3]。美国航天局提出了软件无线电(Software Defined Radio，SDR)的多模式、多频段、多功能综合化空间电子系统通用射频硬件平台架构[4]，以实现多任务复用和功能扩展，缩短研发周期，降低任务成本，并易于技术更新和升级。我国也提出了机载电子信息系统综合化架构、基于软件无线电思想的射频综合化设计[5]和直升机载射频传感器综合化系统架构[6]，开展了射频综合关键技术攻关并应用到型号研制中。

在民用移动通信领域，由于2G/3G/4G技术演进和目前多种主流标准并存，且同一通信标准又同时采用了多个频段，长期来看必然存在多模式多频段通信同时使用。为了避免同时建设多种基站等通信基础设施，减少用户终端品种、数量，提高设备集成度，需研发多频段多模式移动通信综合射频系统，该系统采用通用化射频硬件平台实现宽带无线信号收发，通过软件配置实现特定频段和通信标准的射频功能。研究者比较了可配置多标准无线通信收发信道架构[7]，提出了基于SDR的多模移动通信终端接收机架构[8]和基于基带-射频变换的发射机架构[9]。下一代认知无线电系统必须具备全频谱RF接收和发射能力，以实现实时频谱感知和工作频段选择。国外提出了射频和中频两级信道化的SDR无线电系统接收机架构[10]和多模式多通道全数字发射机架构[11]。国内清华大学采用SDR架构实现了多模无线通信的硬件平台[12]。

宽带综合化射频信道为电子信息系统提供多任务共享、多功能集成和可灵活配置的宽带射频处理能力。宽带综合化射频信道技术是支撑信息化武器装备的多任务综合化电子信息系统、多功能一体化射频传感器和多模式多频段无线通信系统的核心技术之一。宽带综合化射频信道具有以下关键特性：一是超宽带特性。目前信息化武器装备使用的射频频谱已超过100 GHz，民用无线通信和卫星通信频率已经达到Ka频段，未来5G通信和无线局域网频率将扩展到60 GHz或更高，因此综合化射频信道至少应具备覆盖1 MHz～40 GHz的超宽带射频信号发射、接收和处理能力，并可向上扩展到100 GHz。二是硬件通用性。射频硬件满足多种射频功能一体化集成的需要，可多平台通用，并易于实现低成本。三是软件可配置性。适应多任务共享、多标准兼容，并可通过软件加载实现功能扩展和动态升级。四是集成化。满足小型化、轻量化、低功耗和高可靠等要求。五是开放性。硬件具有模块化结构和标准化接口，易于实现新技术、新工艺插入和性能升级，同时也能充分利用商用货架技术降低成本。

本文综述了宽带综合化射频信道技术研究现状，提出宽带综合化毫米波信道及其关键技术发展趋势和研究建议。

2　综合化射频信道架构研究概况

随着射频应用频谱扩展和技术进步，先后出现了多种综合化射频信道架构。

2.1分段共享射频模块的综合化变频信道架构

该信道架构如图1所示，通过多个不同频率的窄带变频信道组合实现宽带射频收发功能。每个接收信道均采用多级变频将射频信号变到中频，再进行采样和模数转换。发射信道由中频经多级上变频到射频后进行功率放大。为了实现不同频段射频模块资源共享，并满足干扰抑制、信道选择性、发射功率和接收动态范围等要求，接收预选器、功放、变频滤波器、中频模数转换器(Analog Digital Converter，ADC)等部件均采用多个按频带划分的模块，通过开关矩阵实现信道重构和多功能复用。

图1分段共享RF模块的综合化信道架构

Fig.1 Integrated transceiver architecture with sharing RF modules in multi-stage

这种信道架构的射频频带越宽、使用射频功能越多，采用模块的品种、数量就越多，体积、重量、功耗越大，成本越高。通过模块标准化和通用化设计可以一定程度上降低成本，通过矩阵开关和变频信道本振频率配置，信道具有一定的可编程能力。采用一次变频和中频正交数字化可以避免采用集成性和可编程能力较差的镜频抑制滤波器[13]，零中频或低中频架构可进一步提高集成度。采用可调元件设计的射频前端单片集成电路可同时具备高集成度和一定的可重构能力[14]。

2.2射频带通采样接收机架构

该接收机架构如2图所示。

图2射频带通采样接收机架构

Fig.2 Receiver architecture with RF band-pass sampling

该架构对射频信号进行带通采样(Band-Pass Sampling，BPS)和模数变换，然后在数字域进行信道滤波、变频和基带处理。将采样和ADC推进到RF带来多种优点：除了射频滤波器和低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)等少数部件外，接收机主要功能均在数字域实现，大大增加了信道的软件可重构能力；在多个RF信号频带分布满足一定条件和恰当选择采样率等条件下，信道具备同时处理多个频带RF信号的能力，从而实现多任务、多功能并行工作；采用数字域带通和低通滤波可实现更好的信道选择性和匹配滤波，从而具有更好的干扰抑制能力和接收灵敏度;采样率远低于射频频率，硬件易于实现。

这种架构需采用可调预选滤波器抑制强干扰信号以避免阻塞，预选滤波器通常是高Q值带通滤波器，这种滤波器通常难以实现集成化和软件配置。该架构下只能采用射频增益自动控制和幅度均衡，接收宽带大动态射频信号需要很高ADC分辨率，增加了数字域处理负荷，导致成本和功耗增大。

采样频率的选择对带通采样接收机性能具有决定性影响，对于特定的多频段无线宽带接收机，需通过适当的算法来寻找最佳采样频率和ADC分辨率，以避免信号混叠和减小信噪比损失[15]。对于连续宽带射频信号，带通采样不可避免会引入干扰或噪声混叠，因此还必须结合适当的多通带滤波器(Multi-band Filter,MBF)[16]或某种可调RF滤波器[17]才能实现有一定通用性的宽带射频前端。

2.3直接射频采样离散时间混频接收机架构

该接收机架构如图3所示。

图3直接射频采样离散时间混频接收机架构

Fig.3 Receiver architecture with direct RF sampling and discrete-time mixer

该架构对RF信号进行直接Nyquist采样或过采样，经离散时间(Discrete-Time，D-T)混频和低通滤波，再进行中频重采样和数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)。高采样率克服了BPS架构通用性较差的缺点，但现有的DSP带宽和吞吐率难以满足数字域直接处理要求，因此采用D-T混频后再进行中频数字化处理。

D-T域处理可以采用开关电容电路和Gilbert乘法器等模拟电路实现，具有可编程能力，能够满足宽带信号处理和灵活配置的需求。为减小中频带宽，可采用D-T正交混频技术。采用谐波抑制混频器可抑制本振谐波附近的干扰和噪声分量[18]。

显然，该接收机架构具有更高通用性和良好的可配置特性。但是，由于采样率至少为最高射频频率的2倍，对于RF采样、D-T滤波器、D-T混频本振信号产生电路速率的要求极高。Ru等[19]利用65 nm CMOS工艺实现了单片集成0.2～0.9 GHz的8倍过采样D-T混频接收机。但对于毫米波频段信号而言，即使Nyquist采样也很难实现。

2.4直接RF采样数字处理接收机

这种接收机架构如图4所示。

图4直接RF采样数字处理接收机架构

Fig.4 Receiver architecture with direct RF sampling and digital signal processing

该架构将ADC和DSP推进到射频前端，具有最好的软件可配置性和通用性，但要求ADC具有高采样率和大动态。目前，商用ADC已实现对15 GHz信号进行数字化，采样率达4 Gsample/s。采用基于阶跃恢复二极管窄脉冲取样、肖特基二极管混频器采样和超导快单磁通量子(Rapid Single Flux Quantum，RSFQ)ADC等技术可以实现对更高频率微波信号直接数字化。由于接收机瞬时带宽受限于ADC带宽、数字处理的吞吐率和处理能力，覆盖毫米波频段的宽带接收机需采用多通道结构[20]。

2.5全数字综合化发射机架构

综合化发射机也有多种方案：采用零中频-低中频和模拟上变频方案[21]可实现较高的集成度和发射信号载频，但模拟部件较多，特别是需要高Q值的射频滤波器，可重构能力较差；采用数字上变频技术可以实现更高的集成度和可配置能力；全数字综合化发射机通过将数字化向天线推进，减少中频和射频硬件模块，可极大地提高软件可配置能力和集成度。但以上方案发射信号载频和带宽均受DSP能力和数字器件频率限制。

基于射频-数模变换器的可配置多模式RF发射机架构，Mohr等[22]采用65 nm CMOS工艺实现了单片集成发射机。针对该架构中PWM/Σ-Δ调制器编码效率低和高Q值RF重建滤波器可调性差的问题，采用基于嵌入现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)的灵巧发射机[23]，在单个FPGA器件内产生RF载波，并实现了载波频率、带宽、动态范围等重要发射机参数的可配置。

基于数字域两级上变频的新型全数字发射机架构如图5所示。通过多相、多通道数字域功率合成[24]，并采用数字射频功放[25]，可提高全数字发射机射频输出功率。全数字发射机具有最高的发射信道集成度和可配置性，但无论从频率还是发射功率来看，毫米波频段全数字发射机在未来较长时间内都还难以实现。

图5全数字发射机架构

Fig.5 Transmitter architecture with all-digital channel

3　毫米波宽带综合化信道关键技术进展

3.1接收阻塞信号和发射噪声抑制技术

在复杂电磁环境下不可避免地有强干扰信号进入毫米波宽带综合化接收信道。特别是来自邻近电子设备的有意或无意发射的强干扰信号和全双工信道自身的发射信号，当其导致接收信道阻塞时，接收机灵敏度将显著下降，甚至无法正常工作。因此，必须在接收信道输入端对阻塞信号进行抑制，同时还不能影响微弱信号的正常接收。

对于接收频带外强阻塞信号的抑制通常采用接收预选滤波器来实现，其滤波特性对阻塞信号频带具有高抑制度，而对有用信号频带具有低损耗。预选滤波器一般采用高Q值的带通滤波器(Band Passing Filter，BPF)，但难于实现电调谐和集成化。

毫米波电可调窄带、低损耗滤波器是预选滤波器的最佳方案，目前还没有取得突破。基于可调电磁谐振腔的滤波器体积大，调谐速度慢；基于可调电容电感的滤波器在毫米波频段损耗太大，声表面波滤波器和体声波滤波器目前无有效调谐方法，且工作频率低。用铁电或电致伸缩材料制作的滤波器可调范围低于20%，难以满足宽带应用要求。通过开关滤波器阵列和窄带可调滤波器组合可实现宽带覆盖，但体积大且开关损耗较大。

对于较低的频段，采用Si CMOS工艺可制作具有一定可调能力的L、C、R元件，进而实现有限可调的集成滤波器。基于开关电容电荷共享、D-T域 BPF和反馈-阻抗组合的高Q值RF BPF[26]均具有可配置性，但频率、带宽和带外抑制尚难以满足高频、宽带应用要求。文献[27]基于有源反馈对消的转移阻抗滤波器实现了2～6 GHz范围内频率可调带阻滤波，对特定频率窄带阻塞信号可提供约20 dB的抑制，从而提高接收机输入三阶交点(Input 3rd-Order Intersection Point，IIP3)约8 dB，但有源反馈环路噪声注入导致噪声系数恶化2.5 dB。在LNA动态范围具有足够大时，可以采用阻塞信号前馈对消方法。对全双工信道自身发射的干扰信号，可以引入辅助发射通道，产生对消信号耦合到接收机输入端抵消干扰信号[28]。基于RF-MEMS的开关滤波阵列能够实现大规模集成的可编程 “频率门”，对于信道带宽固定的SDR和认知无线电(Cognitive Radio，CR)宽带射频前端是一种可行的方案[29]。

综合化信道自身发射或其近旁发射机发射的带内干扰和噪声信号可通过预选滤波器进入接收机，导致接收灵敏度恶化。一般在发射机输出采用窄带收阻滤波器加以抑制。对于可变频率宽带发射机，收阻滤波器也需要具有阻带可配置能力和通带低插入损耗特性，同时能够承受大的射频功率。

对于信道自身发射的接收带内噪声，可以采用对消技术进行抑制。具体实现上，可以直接耦合部分发射噪声进行射频对消，也可以经数字化处理后在基带进行对消[30]。前者简单但可配置性差，后者可配置性较好但会额外引入噪声。

毫米波宽带综合化信道阻塞信号抑制技术发展方向主要是毫米波电调滤波器阵列结合低损耗开关网络，实现宽带可配置的低损耗射频预选滤波器和收阻滤波器，并采用数字化辅助通道在中频或基带处理上实现发射噪声对消。

3.2宽带大动态RF前端技术

宽带综合化接收机需同时处理频谱分布宽且电平相差大的多种不同应用的射频信号，必须具有宽带大动态范围，其中射频LNA和混频器必须具有高的IIP3。

LNA需具有低噪声系数和足够的增益，同时又要承受宽带内较高电平的射频信号并保持线性工作状态。可采取的提高LNA动态范围的措施有：一是提高LNA器件动态范围。目前基于GaN HEMT的LNA具有与基于GaAs pHEMT的LNA相当的噪声系数[31]，功率承受能力比后者高15～20 dB，P-1dB增加约10 dB。二是通过LNA的功率合成技术，可以进一步提高LNA的功率承受能力和线性动态范围，然而功耗也将成倍增加。三是采用后失真线性化技术，减少LNA的非线性交调失真[32]。对于混频器，可以采用高动态GaN HEMT电阻性混频器[33]，或采用功率合成技术提高混频器线性动态范围。

3.3谐波抑制混频器(Harmonic Rejected Mixer，HRM)技术

对于毫米波频段的宽带综合化接收信道，目前ADC的输入带宽不能满足直接采样要求，且后端DSP能力也难以满足直接数字化的处理要求，因此射频前端必须先进行下变频(或带通采样)，通常在ADC之前进行下变频。对毫米波发射信道，目前数字-模拟转换调制器还不能直接产生毫米波信号，也必须采用上变频器。毫米波变频器主要基于微波二极管混频器实现。由于混频器的非线性，在变频同时会产生谐波混频分量和交调分量，这些分量一般都通过滤波器加以抑制，而滤波器会降低信道可集成性。对宽带信道，有些谐波和交调分量会落入中频或发射信号频带内，无法用滤波器滤除。

HRM技术采用多路多相位本振混频，能够较好地抑制谐波混频和交调分量，可显著提高宽带变频信道的杂波抑制能力。抑制2～6次谐波的HRM已经成熟并得到应用[34]，一些HRM技术可抑制2次以上所有谐波混频分量[35]，在宽带综合化射频信道中具有良好的应用前景。

3.4高速采样和ADC技术

对宽带RF信号进行直接采样，再进行D-T域可编程处理或数字域处理是宽带综合化接收信道的终极目标，高速采样和ADC技术是其中的关键技术。

利用采样脉冲驱动毫米波混频器，可以实现对毫米波信号的采样。采用微波光导开关实现了40 GHz毫米波信号的直接采样，但其插入损耗大于10 dB，开关比13 dB，还需要进一步提高[36]。

随着半导体技术的进步，利用InP-HBT工艺可以制造毫米波频段的高速数字逻辑电路，其中高速采样/保持电路和ADC可达到60 Gsample/s的采样率，可以满足毫米波频段低端信号直接采样的要求。

采用超导RSFQ数字电路技术，已经实现了对29.44 GHz信号直接采样和ADC[37]。

3.5宽带大动态ADC技术

对宽带多功能数字化接收机，宽带大动态ADC是最为关键的部件。目前采样率高于5 GHz的高速ADC分辨率一般小于8 b，无虚假动态范围不超过50 dB，难以满足毫米波宽带接收机高灵敏度和大动态接收的要求。扩展高速ADC动态范围的技术有下面两种：

(1)结合可配置MBF[38-39]，根据预测射频功率谱分布动态配置MBF滤波特性，使弱信号通过滤波器的同时抑制部分频带的强信号，降低输入信号的动态范围。

4　宽带综合化毫米波信道发展趋势

4.1基于可配置毫米波前端和中频采样SDR的毫米波综合化信道架构

综合化信道始终在向RF采样 SDR的全数字化方向发展。对于宽带综合化毫米波收发信道，由于频率高、带宽大、功能复杂，传统SDR架构无论在射频性能还是DSP能力短期内都难以满足应用要求。因此，未来毫米波综合化信道的发展趋势是采用可配置宽带毫米波收发前端结合宽带中频采样SDR架构。毫米波前端主要实现接收预选滤波、宽带低噪声放大和下变频，以及发射上变频、宽带功率放大和收阻滤波等功能。中频以下采用SDR架构，采用较高中频可实现大瞬时带宽。毫米波前端可以采用高性能微波集成电路工艺集成，中频采样SDR则采用深亚微米Si CMOS工艺集成，因而这种架构可以实现优良的毫米波收发性能和频段可扩展性，同时又充分利用了SDR可配置和集成化的优点。

最后端上八宝饭，我猜他一定不会碰了。没想到，梁先生居然大笑说：“这个我要。”朋友提醒他：“里面既有糖又有饭。”梁先生则笑说：“我前面不吃，是为了后面吃啊！因为我血糖高，得忌口，所以必须计划着，把那‘配额’留给最爱。”

在这种架构下，DSP难以实现同时处理全部RF带宽，全频段接收只能分时处理或多通道处理，均需要毫米波前端具有一定的可配置能力，即可以通过软件对包括信道滤波、本振频率、带内幅相均衡等信道特性进行配置。前端可配置性不仅可以使综合化毫米波信道具备多任务、多功能能力，还可以降低中频SDR的采样率、带宽和动态范围要求。

这种架构下主要关键技术包括：频率和带宽可配置的低损耗毫米波集成预选滤波器技术和大功率收阻滤波器技术；通带数量、各通带频率和带宽可配置的集成毫米波MBF技术；毫米波宽带HRM技术；大功率、高效率宽带毫米波功放技术等。

4.2综合化信道单片集成技术

综合化信道的优点之一就是多功能集成化和小型化，随着新型半导体材料的应用和先进半导体工艺的开发，毫米波信道正在进一步向单片集成化发展。综合化信道包括多功能射频电路和数字电路，单片集成工艺必须具备在同一工艺流程下制作两种电路的能力。目前主要有4种工艺：

(1)Si基CMOS技术

随着Si CMOS FET的栅长进入到纳米级，其截止频率已进入亚毫米波频段，因此Si CMOS器件可以实现多种毫米波低功率RF功能电路。同时，Si CMOS工艺可以制作大规模的数字电路和FPGA，因此基于亚微米尺度的Si CMOS工艺可以实现毫米波宽带综合化信道的单片集成，其不足之处是毫米波频段射频性能较差。

(2)SiGe BiCMOS技术

SiGe BiCMOS工艺是在标准CMOS工艺上增加几道工序，可制作SiGe 异质结双极型晶体管(Heterojunction Bipolar Transistor，HBT)，SiGe HBT截止频率是同样特征尺寸CMOS FET的2倍，并具有更高的输出功率。SiGe BiCMOS工艺兼容Si CMOS工艺，并具有更好的射频性能，因此是实现毫米波宽带综合化信道单片集成的较好选择，但射频性能仍有不足。

GaAs ED工艺可以实现微波性能优良的高电子迁移率晶体管，同时也能制作高速数字电路，是高性能微波多功能单片集成电路的首选工艺。其缺点是成本较高，并且数字电路功耗较大。

(4)InP HBT技术

InP HBT截止频率高，也能制作毫米波频段的超高速数字电路，可用于高性能毫米波综合化信道的单片集成，但成本更高。

因此，根据综合化信道的频率、性能、集成度和成本要求，毫米波综合化信道可以采取不同的工艺或综合应用多种工艺实现性价比最优化。

4.3超导技术及应用

超导技术在毫米波综合化信道中具有广阔的应用前景，主要应用包括以下四个方面：

(1)用于毫米波预选滤波器

超导具有极低的欧姆损耗，可用于制作低损耗、高选择性的毫米波滤波器，用作接收预选滤波器具有明显优势。

(2)用于毫米波超低噪声接收前端

采用超导可制作低损耗微波传输线、匹配元件等无源电路以及混频器等有源电路部件，并与低温低噪声放大器集成，实现毫米波超低噪声接收前端，噪声温度可达20 K以下，同时还能扩展接收机动态范围。

(3)用于高速采样-保持器、ADC和数字-模拟转换器(Digital-Analog Converter，DAC)

超导RSFQ技术可实现时钟频率770 GHz以上的超导数字电路，并具有极低噪声，可用于制作采样率达到毫米波频段的高速采样-保持器、ADC和DAC等核心器件。

(4)超导计算机和DSP

高速、大吞吐率的DSP是毫米波宽带综合化信道的瓶颈。基于超导RSFQ的超导中央处理器或DSP处理速度比现有水平可提高2个量级，是突破毫米波综合化信道高性能数字信号处理瓶颈的技术途径之一。

超导技术在毫米波宽带综合化信道应用的主要关键技术有毫米波超导滤波器和多工器技术设计制造技术、超导无源电路与毫米波LNA集成技术、基于超导RSFQ高速ADC、DAC和DSP技术等。

4.4毫米波宽带线性固态功放技术

输出功率是发射信道最重要的技术指标。宽带毫米波综合化信道必须具备毫米波宽带功率输出能力，在特定频段和应用需要大功率发射并有线性度要求。毫米波频段的宽带、大功率、高效率线性功放是实现这些技术要求的关键部件。

基于电真空器件的毫米波功放具备高效率和大功率能力，但其工作电压高、寿命较短、频带窄和体积大、难以集成等缺点限制了在宽带发射信道中的应用。目前，基于GaN pHEMT功放单片集成电路和功率合成技术，毫米波固态功放已具备与行波管相当的大功率能力，并可实现倍频程以上工作带宽，具有寿命长、体积小、集成度高等优点，是毫米波宽带综合化信道发射机的发展趋势。

宽带毫米波固态功放关键技术包括：高效率、大功率宽带毫米波固态功放单片集成电路技术；多倍频程宽带毫米波高效功率合成技术；输出功率可软件配置的高效率、大功率固态功放技术；宽带功放线性化技术等。

5　结束语

经过十余年广泛和深入的研究，宽带综合化信道技术取得了令人瞩目的进展。这些进展包括：综合化信道架构向全频段覆盖、全功能并行、全数字化方向发展，提出了多种先进的综合化信道架构，部分完成了实物验证；毫米波宽带射频前端主要技术得到突破，但宽带可配置MBF、HRM和固态功放等关键部件频率和性能有待提高；高速宽带ADC等核心器件已具备对Ka频段信号进行直接数字化能力，但动态范围差距较大；DSP能力还难以实现Ka全频段SDR处理，只能采用分时窄带处理或多通道并行处理来满足宽带处理需求。综合来看，目前已经具备开展Ka频段毫米波宽带综合化信道研发的条件。

在毫米波频段宽带通信、雷达、测控、侦察、电子对抗等多功能一体化军用电子信息系统以及包括5G移动通信在内的民用多频段多模式通信系统等需求推动下，射频综合技术正从微波频段向毫米波扩展，技术进步将大大加快这一进程。目前，覆盖40 GHz的宽带综合化信道技术研发和设备研制亟待开展。

我国应紧密结合应用需求，跟踪综合化信道技术发展前沿，研究技术可行、体制先进和频率扩展性好的毫米波宽带综合化信道架构，梳理该架构下的技术体系，制定关键技术研发规划，系统开展综合化信道总体设计、仿真和测试技术研究;加强关键技术攻关，开展Ka频段综合化信道原理样机研制，逐步提高综合性能和技术成熟度，并向毫米波高端扩展，支撑未来毫米波多任务、多功能、可扩展、易升级综合化电子信息系统研发和应用。

[1]HOOKS D C，RICH B A.Open systems architecture for integrated RF electronics[J].IEEE AES Systems Magazine，1999，14(1)：29-33.

[2]BARROWS G L,KRANTZ B.Integrated RF sensors for electronic warfare applications[C]//Proceedings of 2000 IEEE International Symposium on Circuits and Systems.Switzerland：IEEE，2000: 28-31.

[3]OUACHA A，FREDLUND A，ANDERSSON J，et al.SE-IT joint M-AESA program: overview and status[C]//Proceedings of the Fourth European Conference on Antennas and Propagation.Barcelona：IEEE，2010:1-5.

[4]REINHART R C，SCARDELLETTI M C，MORTENSEN D J，et al.Hardware architecture study for NASA’s space software defined radios[C]//Proceedings of 2006 IEEE Annual Wireless and Microwave Technology Conference.Clearwater Beach,FL：IEEE，2006:1-5.

[5]关中锋.基于软件无线电的多功能射频综合一体化设计[J].通信技术，2014，47(11)：1333-1337.GUAN Zhongfeng.Integrated design of multifunction RF system based on software defined radio[J].Communications Technology,2014，47(11)：1333-1337.(in Chinese)

[6]张建军.轻型射频传感器系统高度综合化设计[J].电讯技术，2010，50(12)：1-3.

ZHANG Jianjun.High integration design of light RF sensor system[J].Telecommunication Engineering,2010,50(12)：1-3.(in Chinese)

[7]DARABI H，MIRZAEI A,MIKHEMAR M.Highly integrated and tunable RF front ends for reconfigurable multiband transceivers: a tutuorial[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems I:Regular Papers，2011，58(9)：2038-2050.

[8]BOURDOUX A，CRANINCKX J，DEJONGHE A，et al.Receiver architectures for software-defined radios in mobile terminals: the path to cognitive radios[C]//Proceedings of 2007 IEEE Radio and Wireless Symposium.Long Beach,CA：IEEE，2007:535-538.

[9]ZIMMERMANN N，THIEL B T，NEGRA R.System architecture of an RF-DAC based multistandard transmitter[C]//Proceedings of 18th Annual IEEE International Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communications.Cancun：IEEE，2007:248-251.

[10]MAGALHAES J P，GOMEZ-GARCIA R,CARVALHO N B.RF and IF channelizers for wide-band sensing in cognitive/software-defined-radio receivers[C]//Proceedings of 7th European Microwave Integrated Circuits Conference.Amsterdam：IEEE，2012:778-781.

[11]SILVA N V，OLIVERIRA A S R,CARVALHO N B.A all-digital multichannel multimode RF transmitter using delta-sigma modulation[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2012，22(3)：156-158.

[12]王宽，粟欣，张汉毅,等.基于通用处理器的多模无线通信硬件平台实现[J].移动通信，2010，34(10)：86-89.

WANG Kuan,SU Xin,ZHANG Hanyi,et al.Implementation of multimode wireless communication hardware platform based on general processor[J].Mobile Communication，2010，34(10)：86-89.(in Chinese)

[13]ARAKI K，NAKAGAWA T,KAWASHEMA M,et al.Implementation and performance of a multi-band transceiver for software defined radio[C]//Proceedings of 2004 IEEE Radio and Wireless Conference.Atlanta,GA,USA：IEEE，2004:207-210.

[14]MUKHOPADHYAY R，PARK Y，SEN P，et al.Reconfigurable RFICs in si-based technologies for a compact intelligent RF frount-end[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2005，53(1)：81-85.

[15]PSIAKI M L，POWELL S P，JUNG H,et al.Design and practical implementation of multifrequency RF front ends using direct RF sampling[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2005，53(10)：3082-3089.

[16]LATIRI A，JOET L，DESGREYS P，et al.Passive second-order anti-aliasing filter for RF sampling based receivers[J].Electronics Letters，2007，43(1)：56-57.

[17]JAEYOUNG C，IM D G，KIM B K，et al.Hardware-efficient non-decimation RF sampling receiver front-end with reconfigurable FIR filtering[C]// Proceedings of 2012 European Conference on Solid-State Circuits.Bordeaux：IEEE，2012：125-128.

[18]CHA H K，KWON K，CHOI I，et al.CMOS wideband RF front-end with mismatch calibrated harmonic rejection mixer for terrestrial digital TV tuner applications[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2010，58(8)：2143-2151.

[19]RU Z Y，KLUMPERINK E A M,NAUTA B.Discrete-time mixing receiver architecture for RF-sampling software-defined-radio[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2010，45(9)：1732-1737.

[20]SARWANA S，KIRICHENKO D E，DETSENKO V V，et al.Multi-band digital-RF receiver[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2011，21(3)：677-670.

[21]STEYAERT M S J，MUER B D，LEROUX P，et al.Low-voltage low-power CMOS-RF transceiver design[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2002，50(1)：281-287.

[22]MOHR B，ZIMMERMANN N，THIEL B T，et al.An RFDAC based reconfigurable multistandard transmitter in 65 nm CMOS[C]//Proceedings of 2012 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium.Montreal：IEEE，2012:109-112.

[23]SILVA N V，OLIVEIRA A S R,CARVALHO N B.Design and optimization of flexible and coding efficient all-digitial RF transmitters[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2013，61(1)：625-630.

[24]SILVA N V，OLIVEIRA A S R,CARVALHO N B.Novel fine tunable multichannel all-digital transmitter[C]//Proceedings of 2013 IEEE MTT-S Digest.Seattle：IEEE，2013:1-3.

[25]姚富强.新一代无线电平台数字射频核心技术研究与工程实践[J].中国科学:信息科学，2014，44(8)：965-979.

YAO Fuqiang.Core technologies of digital radio frequency for advanced radio platform and their engineering practice[J].SCIENCE CHINA Information Sciences，2014，44(8)：965-979.(in Chinese)

[26]RU Z,KLUMPERINK E A M，SAAVEDRA C E，et al.A 300-800MHz tunable filter and linearized LNA applied in a low-noise harmonic-rejection RF-sampling receiver[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2010，45(5)：967-978.

[27]KALTIOKALLIO M，SAARI V,KALLIOINEN S.Wideband 2 to 6 GHz RF front-end with blocker filtering[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2012，47(7)：1636-1645.

[28]ASKAR R，KAISER T，SCHUBERT B，et al.Active self-interference cancellation mechanism for full-duplex wireless transceivers[C]//Proceedings of IEEE 9th International Conference on Cognitive Radio Oriented Wireless Networks and Communications.Oulu,Finland：IEEE，2014:539-544.

[29]CLARK T C.MEMS-based RF channel selection for true software-defined cognitive radio and low-power sensor communications[J].IEEE Communications Magazine，2013，51(4)：110-119.

[30]OMER M，RIMINI R，HEIDMANN P，et al.A PA-noise cancellation technique for next generation highly integrated RF front-ends[C]//Proceedings of 2012 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium.Montreal,Canada:IEEE，2012: 471-474.

[31]COLANGELI S，BENITINI A，CICCOGNANI W，et al.GaN-based robust low-noise amplifiers[J].IEEE Transactions on Electron Devices，2013，60(10)：328-348.

[32]GUO B，WEN G,AN S.6.8mW 15dBm IIP3 CMOS common-gate LNA employing post-linearisation technique[J].Electronics Letters，2014，50(3)：149-151.

[33]KANG J，KURDOGHLIAN A，MARGOMENOS Aet al.Ultra-wideband,high-dynamic range,low loss GaN HEMT mixer[J].Electronics Letters，2014，50(4):295-297.

[34]WELDON J A，NARAYANASWAMI R S，RUDELL J C，et al.A 1.75GHz highly integrated narrow-band CMOS transmitter with harmonic-rejection mixers[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2001，36(12)：2003-2007.

[35]LIN F，IN MAK P,MARTINS R P.A Sine-LO square-law harmonic-rejection mixer-theory，implementation and application[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2014，62(2)：313-322.

[36]CANSELIET C T，FACI S，PAGIES A，et al.Microwave on/off ratio enhancement of GaAs photoconductive switches at nanometer scale[J].Journal of Lightwave Technology，2012，30(23)：3576-3579.

[37]INAMDAR A，RYLOV S，TALALAEVSKII A，et al.Progress in design of improved high dynamic range analog-to-digital converters[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2009，19(3)：670-675.

[38]GARCA R G，GUYETTE A C.Reconfigurable multi-band microwave filters[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2015，63(4)：1294-1307.

[39]AMBEDE A，VINOD A P.Flexible low complexity uniform and nonuniform digital filter banks with high frequency resolution for multistandard radios[J].IEEE Transactions on Very Large Scale Integration(VLSI) Systems，2015，23(4)：631-641.

[40]WU J Y，ZHANG Z，SUBRAMONIAM R，et al.A 107.4 dB SNR multi-bit sigma delta ADC with 1-PPM THD at 0.12 dB from full scale input[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2009，44(11)：3060-3066.

[41]TAO S，RUSU A.A power-efficient continuous-time incremental sigma-delta ADC for neural recording systems[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems I:Regular Papers，2015，62(6)：1489-1498.

黄建(1971—)，男，四川邻水人,分别于1993年和1996年获电子科技大学工学学士学位和硕士学位，现为研究员、中国电子学会高级会员、中国电子学会微波分会委员，主要研究方向为毫米波电路与系统。

HUANG Jian was born in Linshui,Sichuan Province,in 1971.He received the B.S. degree and the M.S. degree from University of Electronic Science and Technology of China in 1993 and 1996,respectively.He is now a senior engineer of professor and also a senior member of Chinese Institute of Electronics, a committee member of Microwave Branch.His research concerns millimeter-wave circuit and system.

Email：huangjianem@sohu.com

Progress and Prospect of Integrated Wideband Transceiver Channel Technology in Millimeter-wave Band

HUANG Jian

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

According to the trend of modern military and civil millimeter-wave(MMW) electronic information systems with simultaneous multifunction,full-band working and high integration,the requirement of developing integrated transceiver channel up to MMW frequency is proposed.The progress of the research works on architectures as well as the associated key technologies of integrated wideband transceiver channel is reviewed.The directions of technology advancing are presented including transceiver architecture based on reconfigurable wideband MMW front-end,all transceiver monolithical integration,superconductive technologies and wideband linear solid-state power amplifier.Suggestions for future research works in this field are given.

millimeter-wave;RF integration;transceiver channel;software defined radio(SDR);key technology;research progress

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.09.020

2016-05-23；

2016-06-23Received date:2016-05-23；Revised date：2016-06-23

huangjianem@sohu.comCorresponding author：huangjianem@sohu.com

TN83;TN85

A

1001-893X(2016)09-1060-09

引用格式：黄建.毫米波宽带综合化信道技术研究进展与展望[J].电讯技术，2016,56(9):1060-1068.[HUANG Jian.Progress and prospect of integrated wideband transceiver channel technology in millimeter-wave band[J].Telecommunication Engineering,2016,56(9):1060-1068.]