射频与毫米波IC

设计让无线信号穿越空间的模拟芯片，把信息多快好省地传出去。从 5G 手机、毫米波雷达到卫星互联网，凡是要无线传信息的地方都少不了它。

这个方向在研究什么

二十多年前的 2G 时代，一部手机能做的不过是打电话、发短信，在诺基亚的小屏幕上玩玩贪吃蛇；到了 3G，手机第一次能上网，刷网页、聊 QQ；4G 让移动互联网井喷，地铁上刷短视频、扫码付钱、动动手指就叫来出租车和外卖；如今的 5G，在时速三百公里的高铁上开视频会议、看 4K 直播都不卡顿。每往前一代，能搬运的数据都翻上好几番。换个场景，手腕上的运动手环、植入体内的起搏器，靠一颗小电池就能安静工作十年。这两类无线需求几乎相反，没有一块芯片能同时满足。要多、要快，就得占用更宽的频段、推向更高的频率，可频率越高越费电、越脆弱；要省电，就得砍发射功率、压带宽。两类需求由此分化：一类追求高频宽带，一类追求极低功耗续航。

专门处理无线信号收发的这套电路统称射频电路，跟低频电路大不相同。高中物理的电学部分曾经简要提到过，交流电路的频率低时，导线的电阻可以视为0，电流从这头流到那头，不损耗、不延迟，也不往外辐射。但当电路的工作频率不断升高到 GHz级别，电容、电感、电阻乃至一根导线，它的物理特性都会发生变化。一段导线就算只有几毫米长，也不能近似为0电阻，必须将其视为一段电感，它会改变信号的相位；紧挨着的两根导线会互相串扰；信号还会像电磁波一样从导线上辐射出去。也正是靠这份能辐射的本事，信号才能由天线送上天空，所以这段能做无线的高频就叫射频（Radio Frequency, RF）。

这个方向的研究对象，是天线和数字芯片之间那一整套模拟电路，合称收发机（transceiver）。接收时，微弱的信号先经低噪声放大器（Low-Noise Amplifier, LNA）放大，再混频、送进 ADC 变成数字；发射时反过来，功率放大器（Power Amplifier, PA）把信号推上天线；收发都靠本振（Local Oscillator, LO）提供准确的载波，到了毫米波再加一片相控阵（phased array）前端。研究者要做的，是不断为这些模块发明新电路结构，把噪声系数、功率效率、工作频率推到工艺允许的上限。做出来的芯片，装进 5G/6G 基站和手机、汽车的毫米波雷达、卫星互联网终端，以及电池供电的物联网和可穿戴医疗设备——凡是要无线传信息的地方都少不了它，高端型号在国内至今高度依赖进口。

要装下更多数据，就得占用更宽的频段，而空着的频段只在高处，信号于是被推向越来越高的频率。但频率越高，路径损耗（path loss）越大：信号离开天线就开始衰减，电磁波在空间里扩散，频率越高衰减越狠。路径损耗大致与频率的平方成正比，28 GHz 的信号比 2.4 GHz 的在相同距离上多损耗约 20 dB，功率只剩百分之一。发射端到接收端每个环节的功率损益都要核算，工程师把这张清单叫作链路预算（link budget），路径损耗通常是其中最大的一项。

相控阵是补偿路径损耗的主要手段：不再用一根天线向四周辐射，而是把几十上百个微小的天线单元排成阵列，分别控制每个单元的相位，让电磁波在目标方向上叠加、在其他方向上抵消，汇聚成一束波束，把损失的能量补回来。一部 5G 毫米波终端，会在指甲盖大小的面积里集成上百个天线单元和相应的移相器、放大器，毫秒内就能把波束对准基站，这种集成度十年前还难以想象。手机直连卫星是它的极端例子：卫星相当于把基站搬到几百公里高的轨道上，靠星上一面很大的相控阵，对准地面那部功率和天线都很小的手机。

相控阵补回的是空间里损失的能量，可链路两端的器件本身，也被高频逼到了极限。信号穿过空间到达接收端，往往只剩 -100 dBm，也就是 0.1 皮瓦，跟发射时的几瓦差了十几个数量级。把几乎被噪声淹没的微弱信号恢复出来，靠的是低噪声放大器。LNA 能做到多干净，热噪声（thermal noise）划了一条物理底线。想压低噪声就得给晶体管喂更大的电流，但这条底线是器件热力学定的，电路结构改变不了它。频率再爬到几十 GHz，把噪声摁住就更费劲了。

功率放大器是发射端的主要设计难题。信号要送得远，它就得把功率放足，可功率一旦推上去，晶体管就进了非线性区，凭空生出谐波，搅扰旁边的信道；想让它规规矩矩保持线性，又只能把功率压回来，效率跟着往下掉。一个 4G 基站的 PA，七成的电都烧成了热，真正变成信号送出去的还不到三成。

收发机还少不了一个又准又稳的载波。把载波频率做准、做稳，本身就自成一门学问，叫频率综合（frequency synthesis），挑大梁的是锁相环（Phase-Locked Loop, PLL）。频率上到几十 GHz，要让载波既不偏也不抖，相位噪声（phase noise）的指标随之急剧难做。

频率推到 300 GHz 以上就进了太赫兹（Terahertz, THz）域。晶体管增益已近枯竭，长期没有合用的有源器件，研究者只能在这条增益极限上压榨余量。

另外有一批射频芯片，如手腕上的手环、植入体内的起搏器、铺在田里的传感器等，它们所追求的方向完全相反。它们并不缺带宽，要连的也不过是几十米外的网关，传得远不远从来不是问题，核心约束是续航。一颗纽扣电池要撑上十年。这一路算的不再是链路预算，而是能量预算（energy budget）——每发一个比特耗多少电，都要锱铢必较。

省电的办法分两招。第一招是干脆少发：靠电池过活的收发机大部分时间都在休眠，功耗压到几微瓦，只在该发送时醒来，数毫秒内把数据发完立即睡回去，平均功耗约等于占空比（duty cycle）乘以峰值功耗，睡得越久就越省。

第二招是把电路本身做到最简、最小，能省一级就省一级，而不是像毫米波那样堆上百个天线单元。

追求低功耗的射频芯片，跟高带宽的射频芯片用的是同一批模块，但对指标的追求不同。同样的 LNA，要在纳安级的电流下保住灵敏度；同样的 PA，在意的不是功率多大，而是能不能彻底关断、醒来进入状态够快；本振也从稳住几十 GHz，变成在近乎零功耗时保持纯净。发一比特究竟最少要耗多少电，理论有下界，但现有实现距那条线还差几个数量级。

核心研究问题

• 毫米波收发机与相控阵前端：路径损耗约与频率平方成正比，28 GHz 比 2.4 GHz 同距离多衰减约 20 dB，要把上百个天线单元、移相器和封装天线集成进指甲盖大小的模组，靠波束成形把损失的能量抢回来。
• 功率放大器的线性-效率权衡：大功率要把晶体管推进非线性区，会冒谐波污染邻道；想保持线性又得回退工作点，效率塌掉。Doherty 结构和数字预失真都是针对这一权衡发展出来的。
• 低相噪频率综合：本振到了几十 GHz 还要既不偏也不抖，相位噪声直接决定收发机能不能收对符号，亚采样锁相环和全数字锁相环是两条主要路线。
• 超低功耗物联网与可穿戴无线：手环、植入体、田间传感器不缺带宽只缺续航，纽扣电池要撑十年，同一批模块要在纳安电流下保灵敏度、能彻底关断又快速醒来。
• 太赫兹收发与器件：频率推上 300 GHz 以上晶体管增益近枯竭，长期找不到趁手的有源器件，太赫兹 CMOS 收发机和新型器件都在这条增益死线上抠裕量。
• 数字化射频与片上集成：把 PA、PLL、相控阵尽量搬进数字域，用 ADPLL、数字 PA 实现，省下模拟校准又吃工艺缩放红利，但高频下数字结构要逼近模拟性能还差着距离。

知识路径

物理线（大学物理→量子力学→固体→半导体→器件）打通器件认知，电磁场与微波是射频独有的物理基础，信号处理支撑系统链路分析，模拟电路是核心设计能力，工艺和 EDA 形成完整 IC 流程。节点对应学习地图里的目录：

graph LR
    AN[分析] --> PHY[大学物理]
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    DS --> QM
    PHY --> QM[量子力学]
    QM --> SS[固体物理]
    SS --> SP[半导体物理]
    SP --> DEV[半导体器件]
    PHY --> EM[电磁场与微波]
    SIG --> MAS[模拟与射频]
    DEV --> MAS
    DEV --> PRO
    EM --> MAS
    PRO[集成电路工艺] --> MAS
    PRO --> EDA
    MAS --> X[射频与毫米波IC]
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    TEST[测试与可靠性] --> X

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• 数学：分析（微积分、复变函数，傅里叶与拉普拉斯变换的来源） · 代数（线性代数）
• 物理：大学物理 · 量子力学 · 固体物理 · 半导体物理 · 电磁场与微波（待建）
• 器件与工艺：半导体器件 · 集成电路工艺
• 电路：信号处理 · 模拟与射频（电路分析→模电→模拟 IC→射频电路这条链是本方向的主干） · EDA（RF layout、EM 仿真） · 测试与可靠性（射频微波测试）

这个方向适合谁

模拟电路学得踏实的人在这里会走得更深。射频和纯低频模拟不同，频段一上 GHz，走线本身就是电路的一部分，S 参数和史密斯圆图是这里的工作语言，电磁场课修完还不够，在仿真里实际操作过才能建立直觉。日常大约一半在仿真器里追噪声指标、调 PA 偏置、搭相控阵阵列，另一半在测试间操作网络分析仪和频谱仪。流片半年一轮，仿真和实测对不上是常态，耐心追溯差异来源是这个方向的基本工作方式。

学术界

课题组

境内

• 付军 清华

  硅基毫米波射频IC | 异质结器件工艺 | 雷达与通信前端

• 王燕 清华

  毫米波相控阵收发机 | CMOS射频前端 | 器件特性建模

• 张雷 清华

  毫米波/太赫兹芯片 | 功率放大器设计 | 雷达收发机

• 王志华 清华

  射频与混合信号 IC | 毫米波雷达收发机 | 高速 ADC 芯片

• 李宇根 清华

  PLL 与频率综合器 | 超低功耗 UWB 收发机 | IoT 无线射频 IC

• 陈文华 清华

  射频功率放大器设计 | 5G 基站线性化技术 | 毫米波太赫兹 IC

• 邓伟 清华

  毫米波收发机芯片 | 硅基太赫兹 IC | 雷达通信一体化系统

• 池保勇 清华

  CMOS 毫米波收发机 | 5G/6G 射频前端 | 宽带低噪 LNA 设计

• 贾海昆 清华

  毫米波 / 太赫兹收发机 | 大规模相控阵芯片 | 高速串行接口 IC

• 姜汉钧 清华

  超低功耗无线收发机 | 低温 CMOS 量子接口 | 生物信号混合信号 IC

• 闫娜 复旦

  宽带可重构 RF 收发机 | 低噪放与 PLL | 毫米波雷达前端

• 徐鸿涛 复旦

  5G/6G 数字功率放大器 | 毫米波宽带收发机 | 无线 SoC 与全双工 IC

• 洪志良 复旦

  射频混合信号收发机 | 高精度 ADC 与 DC-DC | 模拟 IC 基础设计

• 唐长文 复旦

  毫米波 CMOS 收发机 | 相控阵芯片 | 5G/6G 射频前端

• 闵昊 复旦

  宽带射频收发机 | 天线芯片协同设计 | 高速 ADC/DAC

• 马顺利 复旦

  毫米波相控阵收发机 | 雷达与 5G/6G 芯片 | ADPLL/FMCW 锁相环

• 李巍 复旦

  射频模拟集成电路 | 无线收发器芯片

• 王云 复旦

  毫米波功率放大器 | 5G/6G 相控阵收发

• 江晨 复旦

  太赫兹集成电路 | 片上成像与感知系统

• 谭恺 复旦

  毫米波雷达芯片 | 雷达成像信号处理

• 王志功 东南大学

  微波光子集成电路 | 太赫兹芯片 | 高速无线通信前端

• 洪伟 东南大学

  毫米波集成天线 | 大规模相控阵系统 | 智能超表面与太赫兹

• 胡诣哲 中科大

  毫米波全数字收发机 | 相控阵 IC 数字化 | ADPLL 与频率综合

• 林福江 中科大

  毫米波超低噪声前端 | GaN MMIC 功率器件 | 射频器件建模

• 楼立恒 中科大

  毫米波收发机电路 | 全数字锁相环 | 相控阵 MIMO 数字化

• 周健军 交大

  CMOS 射频收发机 | 毫米波通信与雷达 IC | 相控阵波束成形电路

• 金晶 交大

  射频/混合信号 IC | 频率综合器（PLL） | 毫米波雷达与 UWB 收发前端

• 高翔 浙大

  射频与模数混合信号 IC | 亚采样锁相环（Sub-Sampling PLL） | 无线通信芯片

• 崔强 浙大

  射频/毫米波/太赫兹器件电路与系统 | 高速接口与芯粒封装 | 太赫兹收发机前端

• 赵博 浙大

  超低功耗 CMOS 无线收发芯片 | 无源无电池背散射 Radio | 物联网/生物医疗 RF SoC

• 康凯 成电

  射频/毫米波集成电路设计 | 器件建模 | RF/mmWave 芯片

• 王政 成电

  射频集成电路 | 毫米波前端 | 无线通信芯片

• 舒一洋 成电

  射频/微波/毫米波/太赫兹 IC | 超宽带振荡器与频率源 | 数字功率放大器

• 王成 成电

  低温 CMOS 量子测控 | 芯片级分子时钟 | 毫米波/太赫兹相控阵

• 罗讯 深大

  数字射频集成电路 | 片上太赫兹通信 | 可重构无源电路与异构封装

• 杨秉正 深大

  射频/微波/毫米波 IC | 太赫兹功率放大器 | 发射机集成电路

• 钱慧珍 西电

  数字化射频 IC | 微波/毫米波/太赫兹 IC | 片上相控阵与可重构无源电路

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境外

• C. Patrick Yue（俞捷） 港科大

  毫米波通信与感知 IC | 光无线高速收发 | 宽带 SoC 芯片

• Harish Krishnaswamy Columbia

  毫米波/太赫兹收发机 | 全双工同频收发 IC | 频谱共享射频系统

• Thomas Lee Stanford

  射频与太赫兹 CMOS | 超宽带收发机 | 振荡器网络与信号处理

• Ali Niknejad UC Berkeley

  毫米波 CMOS 功率放大器 | 5G/6G 收发机 | 数字化相控阵

• Behzad Razavi UCLA

  射频/混合信号 IC | 收发机前端电路 | PLL/ADC/时钟综合

• Gabriel Rebeiz UCSD

  硅基相控阵与波束赋形 | 毫米波收发 RFIC | RF MEMS 可调滤波器

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学术会议与期刊

会议 ISSCC RFIC Symposium IMS ESSERC EuMW

期刊 JSSC T-MTT TCAS-I/II MWCL

毕业去向

企业

国内 卓胜微 唯捷创芯 翱捷科技（ASR） 三安光电（三安集成 GaN/GaAs 射频） 加特兰微电子（Calterah） 紫光展锐（UNISOC） 华为海思（HiSilicon）

国外 Qualcomm（高通） Broadcom（无线连接 / 射频前端） Skyworks Solutions Qorvo MediaTek（联发科） MACOM（GaN MMIC · 相控阵雷达 · 卫星通信） NXP（77 GHz 车载雷达收发机） Infineon（77/79 GHz 毫米波雷达 MMIC）

科研院所

国内 东南大学毫米波全国重点实验室 中科院微电子所 鹏城实验室

国外 UC Berkeley 无线研究中心（BWRC） imec（比利时微电子研究中心） Fraunhofer IAF（德国应用固体物理研究所）

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