本文介绍了一篇发表于2022年2月《IEEE Journal of Solid-State Circuits》期刊上的研究论文，题为《A K/Ka-Band Satcom Transceiver in 65-nm CMOS with High-Linearity TX and Dual-Channel Wide-Dynamic-Range RX for Terrestrial Terminal》。该研究由东京工业大学的Yun Wang、Dongwon You、Xi Fu等研究人员共同完成，旨在开发一种基于标准65纳米CMOS工艺的K/Ka波段卫星通信（Satcom）收发器，适用于地面终端。

研究背景与动机

卫星通信（Satcom）技术自发明以来，已成为全球范围内实现远距离即时通信的重要手段。近年来，随着卫星通信和航天技术的进步，低轨卫星（LEO）星座的部署为全球高速、低延迟的互联网接入提供了新的可能性。与传统的长距离光纤网络或微波中继相比，卫星通信在山区或岛屿等偏远地区具有更高的便携性和低成本优势。然而，现有的卫星通信终端通常依赖于III-V族化合物半导体器件，导致设备体积庞大且成本高昂。因此，研究团队提出了基于标准CMOS工艺的K/Ka波段卫星通信收发器，旨在实现低成本、高集成度的解决方案。

研究目标

该研究的主要目标是设计一种适用于地面终端的K/Ka波段卫星通信收发器，具备高线性度的发射器（TX）和双通道宽动态范围的接收器（RX）。通过采用直接转换架构，收发器能够支持多种复用模式（如极化复用和频率复用），并实现广泛的输入动态范围。此外，研究还提出了相邻信道干扰（ACI）消除方案，以进一步提升接收器的线性度。

研究方法与流程

研究团队采用标准65纳米CMOS工艺设计并制造了该收发器原型。收发器的主要组成部分包括： 1. 发射器（TX）：采用四路功率合成技术，确保高线性度和高输出功率。发射器在1.05V电源电压下，实现了20.5 dBm的饱和输出功率（Psat）和12 dBm的平均输出功率，误差矢量幅度（EVM）为2%，相邻信道功率比（ACPR）为37.6 dB。 2. 接收器（RX）：采用双通道设计，具备宽动态范围和低噪声系数（NF）。接收器在高增益模式下实现了5.4 dB的噪声系数和-30 dBm的输入三阶交调点（IIP3）。通过ACI消除方案，接收器在100 MHz信号带宽下实现了7.9 dB的干扰消除。

主要结果

1. 发射器性能：在29 GHz频段下，发射器实现了26.1 dB和35.1 dB的转换增益，3 dB带宽分别为26.9-32.6 GHz和27.0-32.4 GHz。发射器的饱和输出功率和1 dB压缩点分别超过20 dBm和15 dBm。
2. 接收器性能：在19 GHz频段下，接收器实现了34.3 dB的转换增益和16.9-22.5 GHz的3 dB带宽。接收器的总可变增益范围为50 dB，高增益模式下的噪声系数为6 dB，输入三阶交调点为-30 dBm。
3. ACI消除效果：在频率复用模式下，接收器实现了7.9 dB的ACI消除效果，显著提升了接收器的线性度。

研究意义与价值

该研究的科学价值在于首次展示了基于标准CMOS工艺的K/Ka波段卫星通信收发器，具备高线性度和宽动态范围。其应用价值在于为下一代低成本、高集成度的卫星通信终端提供了可行的解决方案，尤其适用于偏远地区的互联网接入。此外，研究提出的ACI消除方案为多卫星接收场景下的干扰问题提供了有效的解决途径。

研究亮点

1. 创新性设计：研究团队首次在CMOS工艺中实现了K/Ka波段卫星通信收发器，具备高线性度和宽动态范围。
2. ACI消除方案：提出的ACI消除方案显著提升了接收器在频率复用模式下的线性度。
3. 低成本与高集成度：基于标准CMOS工艺的设计为卫星通信终端的低成本和高集成度提供了新的可能性。

结论

该研究成功设计并验证了一种基于65纳米CMOS工艺的K/Ka波段卫星通信收发器，具备高线性度发射器和双通道宽动态范围接收器。通过创新的电路设计和ACI消除方案，收发器在性能上达到了预期目标，为未来卫星通信终端的低成本和高集成度发展提供了重要参考。