本文介绍了一项关于低功耗、抗辐射的Ka波段CMOS相控阵接收器的研究，该接收器专为低地球轨道（LEO）小型卫星通信系统设计。该研究由东京工业大学的Xi Fu、Dongwon You、Yun Wang、Xiaolin Wang、Ashibir Aviat Fadila、Chenxin Liu、Sena Kato、Chun Wang、Zheng Li、Jian Pang、Atsushi Shirane和Kenichi Okada等人共同完成，并于2024年2月发表在《IEEE Journal of Solid-State Circuits》期刊上。
随着第五代（5G）移动网络及未来通信技术的发展，无线通信性能的提升成为研究热点。其中，非地面网络（Non-Terrestrial Networks, NTN）因其广泛的覆盖范围和低能耗、低成本的优势，成为卫星通信系统的重要方向。LEO卫星由于其低延迟和低自由空间路径损耗（Free-Space Path Loss, FSPL）特性，成为卫星通信的理想选择。然而，LEO卫星的太阳能板面积有限，导致其功耗受到严格限制。此外，LEO卫星还面临辐射耐受性的挑战，尤其是在小型立方体卫星（CubeSat）中，辐射屏蔽较薄，容易受到宇宙辐射的影响。因此，设计一种低功耗且抗辐射的相控阵接收器成为LEO卫星通信系统的关键技术需求。
本研究的目标是设计一种适用于LEO小型卫星的低功耗、抗辐射的Ka波段CMOS相控阵接收器。通过引入多耦合共栅极（Common-Gate, CG）低噪声放大器（Low Noise Amplifier, LNA）和磁调谐移相器（Magnetic-Tuning Phase Shifter, MTPS），研究团队旨在显著降低接收器的功耗，并提高其在辐射环境下的性能稳定性。
研究团队提出了一种多耦合CG LNA结构，通过三个耦合电感器降低输入匹配阻抗，从而减少输入CMOS晶体管的尺寸，进而降低功耗。此外，该LNA还集成了180°移相器，进一步减少了系统的功耗。与传统的相控阵接收器相比，该设计的单波束成形器功耗仅为3.4 mW，远低于传统设计的17.3-195 mW。
为了应对辐射环境下的性能退化问题，研究团队设计了磁调谐移相器（MTPS），该移相器在辐射环境下的增益和相位退化分别为0.06 dB/mrad和0.4°/mrad，是目前报道的最低值。此外，接收器的噪声系数为3.8 dB，输入三阶交调点（IIP3）为-22 dBm，每个单元的芯片面积仅为0.2 mm²。
在系统级测试中，研究团队通过空中（Over-the-Air, OTA）测量验证了该接收器能够支持高达256振幅相移键控（APSK）调制的数字视频广播第二代扩展（DVB-S2X）标准信号。测量结果显示，该接收器在1.6 GHz信道带宽下实现了-33.2 dB的误差矢量幅度（EVM）和12.8 Gb/s的链路速度。此外，接收器的波束方向图能够在-50°到+50°的辐射角度范围内保持低于-10 dBc的旁瓣水平。
通过引入多耦合CG LNA和磁调谐移相器，研究团队成功实现了低功耗和抗辐射的相控阵接收器。该接收器的单波束成形器功耗仅为3.4 mW，是目前报道的最低功耗。此外，接收器在辐射环境下的增益和相位退化分别为0.06 dB/mrad和0.4°/mrad，表现出优异的抗辐射性能。在系统级测试中，接收器支持高达256 APSK调制的DVB-S2X信号，并实现了-33.2 dB的EVM和12.8 Gb/s的链路速度。
该研究为LEO小型卫星通信系统提供了一种低功耗、抗辐射的相控阵接收器解决方案，具有重要的科学和应用价值。首先，该设计显著降低了接收器的功耗，解决了LEO卫星太阳能板面积有限的问题。其次，通过引入磁调谐移相器，接收器在辐射环境下的性能得到了显著提升，确保了卫星在长期任务中的稳定性。最后，该接收器的高性能使其能够支持高速数据传输，为未来的卫星通信系统提供了可靠的技术支持。
该研究通过创新的电路设计和系统优化，成功实现了低功耗、抗辐射的Ka波段CMOS相控阵接收器，为LEO小型卫星通信系统提供了可靠的技术支持。该设计不仅解决了LEO卫星的功耗和辐射耐受性问题，还为未来的卫星通信系统提供了高性能的解决方案。