6G毫米波与低轨卫星倒逼前端集成，多线圈射频折叠成破局关键

2026年9月20日，上海——在今日举行的第十一届上海FD-SOI论坛上，清华大学电子工程系教授陈文华发表了题为《基于多线圈射频折叠超紧凑毫米波相控阵前端》的主题演讲，提出了一种基于多线圈变压器的射频折叠新方法，为毫米波相控阵前端的小型化与高密度集成开辟了全新路径。

图 | 清华大学电子工程系教授陈文华发表演讲

毫米波相控阵的“面积之痛”

随着低轨卫星通信星座（如Starlink、OneWeb、国网、千帆等）的全球部署加速，以及5G/6G通信向更高频段演进，大规模相控阵天线已成为实现低延迟、全球连接的核心硬件。从2G/3G时代的1通道，到5G的32通道，再到B5G/6G的256通道以上，射频通道数量呈指数级增长，对前端集成度提出了严苛要求。

然而，传统射频前端架构面临一个根本性矛盾：功率分配、输出合成、阻抗匹配和收发切换等功能，均需映射到分立的无源网络中。

陈文华教授在演讲中指出，在典型的两路两级功放架构中，仅无源网络就至少需要8个独立的匹配网络，而Doherty功放还需要额外的阻抗逆变器。更严峻的是，无源网络占据的芯片面积往往远高于有源器件——在28GHz频段，无源网络面积占比可高达49%，而有源核心面积仅约4%，二者相差一个数量级。

“大规模相控阵要求每个通道的面积尽可能小，而传统射频前端中庞大的无源网络严重限制了集成密度。”陈文华教授表示，“我们必须从根本上重新思考无源网络的设计范式。”

多线圈射频折叠，从“分立”走向“融合”

针对这一挑战，陈文华教授团队提出了“多线圈射频折叠”思想。其核心在于：利用三线圈变压器中每个线圈与另外两个线圈之间的磁耦合特性，通过线圈耦合与空间堆叠的协同设计，将多种射频功能融合进同一无源网络中，从而大幅减少无源网络的数量和面积。

在Doherty功放设计中，团队提出了一种紧凑架构：采用三线圈变压器同时实现不等功分、级间匹配、阻抗逆变和功率合成，并将输入匹配与辅路级间匹配融合。与传统方案相比，该架构将变压器数量从6个缩减至3个，且无需λ/4传输线和I/Q混合器，彻底消除了辅路开启时的3dB增益损失。

测试结果表明，该Doherty功放在28GHz频段实现了20.8dB增益、20.5dBm饱和输出功率，核心面积仅为0.098mm²，为同类中心频率下已报道的最小面积。

进一步地，团队将该思想扩展至收发前端。通过协同优化功放与低噪放的收发匹配网络及开关阻抗变换网络，设计出仅需4个变压器即可完成全部功能的T/R前端。其中，8字形电感与三线圈变压器的堆叠设计有效抑制了非期望耦合，耦合系数在20-40GHz范围内保持在0.04以下。该前端在22nm FD-SOI CMOS工艺下实现，核心面积仅0.092mm²，接收链路噪声系数最低4.2dB，发射链路饱和输出功率达20.5dBm，性能与面积均优于传统非对称开关架构。

FD-SOI正在为相控阵前端提供可扩展设计路线

陈文华教授在总结中指出，传统射频前端依赖单功能无源网络，导致无源模块数量多、面积大，难以满足大规模相控阵的集成需求。多线圈射频折叠技术通过融合多种射频功能于共享无源网络，为紧凑型Doherty功放和T/R前端提供了全新的设计思路。

“基于22nm SOI CMOS的仿测结果表明，这一思想能够为相控阵前端提供一种兼顾面积和性能的可扩展设计路线。”陈文华教授表示。随着低轨卫星通信和6G毫米波通信的快速发展，超紧凑、高性能的射频前端将成为大规模相控阵部署的关键使能技术，而多线圈射频折叠有望在这一进程中发挥重要作用。