5G/6G移动通信和毫米波雷达是国家重大战略需求，是推动万物智联的关键引擎技术。毫米波可以实现高速率和低延时通信，以及高分辨率雷达探测。如图1所示，毫米波频率源是通信和雷达等电子系统的心脏，调谐范围和相位噪声是其最重要的技术指标，目前存在调谐范围窄和相位噪声差等问题，严重阻碍了通信和雷达系统的推广应用。

图1 毫米波通信和雷达系统示意图

在国家重点研发计划等纵向项目和企业横向项目的支持下，本项目针对毫米波源在调谐范围、相位噪声以及芯片面积等方面的问题，布局了一系列发明专利。本项目专利主要围绕两个发明创新点：1. 核心专利同时实现宽调谐范围与低相位噪声性能；2. 衍生专利进一步提升噪声性能。上述发明创新点均未在本领域公开，属于原创性技术；与现有技术相比，性能提升显著。因此，本专利具有原创性、新颖性和先进性。

1. 核心专利发明创新点。首先提出了“多模压控振荡装置和无线收发机 （202011252811.2；US11329605B1）”这一核心专利。在不增加芯片面积的情况下，实现了调谐范围的极大拓展，突破了调谐范围增大与相位噪声恶化的相互制约。提出两个核心技术：（1）多模磁耦合谐振网络产生多种谐振模式；（2）多振荡核与开关模组协同配合选择工作模式，解决了多模多核振荡器在调谐范围、相位噪声以及面积上相互制约的问题。在不恶化相位噪声的同时，实现了相位带宽超过90%，超过目前现有技术中毫米波振荡器最大相对带宽73%的限制，为宽带低相噪毫米波频率源的实现提供了重要技术方案。

2. 衍生专利发明创新点。基于上述专利存在的相位噪声问题，进一步衍生出了“压控振荡装置和无线收发机（202011254889.8；US11303246B1）”、“一种逆F类压控振荡器及芯片 202011254889 .8”等多项国内外专利。在不增加芯片面积的前提下，从多个维度进一步改善相位噪声，同时仍然保持足够宽的频率调谐范围。在“压控振荡装置和无线收发机”专利中，实现相位噪声优化手段包括：（1）多个振荡核心模组和开关模组提供不同的相位；（2）多个谐振电路相互连接对高次谐波噪声的抑制。 另外，在“一种逆F类压控振荡器及芯片”专利中，实现振荡器低相位噪声的主要技术包括：（1）多峰值谐振器对振荡器的滤波；（2）频率调谐模块对基波与谐波的精准控制。

上述技术有效解决了宽调谐范围振荡器相位噪声不足等问题，在保证芯片小型化的同时实现了低相位噪声。基于上述技术采用CMOS工艺实现的毫米波振器的相位噪声与调谐范围综合指标（FoMT）达到了201 dBc/Hz， 比现有技术提升了6倍。

上述发明专利的技术方案解决了振荡器在调谐范围、相位噪声以及芯片面积等多个性能指标相互制约的问题，在芯片小型化的前提下，首次实现了振荡器的宽调谐范围和低相位噪声，具有原创先进性和很高的技术价值。

依托上述发明专利，团队研发的“毫米波生物医学传感器”及“6G卫星通信相控阵技术”先后获2021年度和2022年度国际互联网+大赛广东省银奖，后者获第八届中国国际互联网+大赛（产业赛道）金奖。同时，团队正与华为、高盛达、曼克维等多家公司开展技术转化，加快该专利技术的产业化应用，合作费用超千万元。其中，应用于惠州高盛达的24GHz多模式毫米波雷达传感器芯片，采用CMOS工艺研制，实现的多模式雷达系统可达到毫米级定位，可解决智能家居多应用场景需求。样机已研制成功，具有性能和成本优势，预期可拉动产值数千万元。应用于曼克维公司的卫星通信相控阵收发机芯片中，一体化集成相控阵系统的核心指标比业内同类产品提升了约15%。目前已小批量生产并销售，预期实现销售额将超过2000万元人民币。因此，本项目专利具有很高的产业价值，已应用于5G通信收发机或雷达系统芯片中，产生了显著的经济和社会效益。

本项目发明所涉及的振荡装置（即压控振荡器）是毫米波频率源中的核心模块，其相位噪声、调谐范围、功耗等指标对于频率源的性能具有决定性的影响，在5G/6G毫米波移动通信、高精度毫米波雷达等先进电子系统中具有广泛应用。

基于本项目的核心专利和衍生专利实现的毫米波频率源可采用标准的CMOS集成电路工艺实现，具有低相位噪声、大调谐范围、低功耗等特点，综合性能提升超过30%，同时芯片成本可以大幅降低。依托上述发明专利，团队研发的“毫米波生物医学传感器”及“6G卫星通信相控阵技术”先后获2021年度和2022年度国际互联网+大赛广东省银奖，后者已进入国赛，有望冲击产业命题赛道金奖。依托本发明，发明人团队正与华为、高盛达、万嘉通、银禾号、曼克维等公司开展技术转化合作，推进该专利技术的产业化应用，合作经费超过1000万元。该发明已应用于发明人团队与上述公司合作研发的5G通信收发机及雷达系统收发机芯片中，并逐步导入到公司产品中，已实现小批量生产。具体情况如下：

（1）应用本发明专利，华为的高频多流全连接架构收发机芯片中的本振移相电路可实现更大的调谐范围，整体电路得到简化。在同等功能和性能条件下，芯片面积缩减50%以上，成本显著下降，可望产生显著的经济效益。

（2）本发明专利应用于惠州高盛达的24GHz多模式毫米波雷达，采用CMOS工艺研制的传感器芯片可实现2GHz的快速调频，结合创新的天线设计，实现的多模式雷达系统可达到毫米级定位，性能指标达到半导体行业巨头英飞凌公司主流产品标准，居于国际领先水平。基于该发明的毫米波雷达样机已研制成功，具有性能和成本优势，预期可拉动产值数千万元。

（3）基于本发明，团队与曼克维公司已合作研制出CMOS毫米波卫星通信相控阵收发芯片，并与相控阵天线阵一体化设计。研制的样机实现了正负65°的大角度扫描，其核心指标比业内同类产品提升了约15%，显著提升了产品竞争力，具有巨大的市场潜力。目前已小批量生产并销售卫星通信相控阵收发机产品，预期实现销售额将超过2000万元。

本项目发明突破了传统毫米波压控振荡器相位噪声差、调谐范围受限以及功耗高的技术瓶颈，将毫米波压控振荡器的综合性能指标（FoM）提升5-10dB，同时实现了芯片面积小型化，可采用标准CMOS工艺进行大规模批量制造。该专利技术已应用于华为、高盛达等行业龙头企业，导入其在5G移动通信、卫星通信相控阵、毫米波雷达等系统产品中，提升了性能指标和成本的双重竞争力，产生显著的经济和社会效益。

图1 基于自研芯片的6G卫星通信相控阵

图2 基于自研芯片的毫米波生物医学传感器