导读

作为无线收发系统核心，正交振荡源的相位精度与品质因数（FOM）直接决定通信系统性能。旋转行波振荡源（RTWO）是正交振荡源的典型实现形式，具有多相输出优势，却因相位和线长的耦合关系导致各负阻单元电流相位失准与噪声恶化。人工表面等离激元（spoof SPP）超材料通过模拟光频段表面等离激元的物理特性，在微波与太赫兹频段实现了电磁波的精细操控。这类超材料兼具平面电路构型优势与强场束缚、色散可调、场增强、低串扰等独特性质。

近期，东南大学崔铁军院士和张浩驰教授团队创新性地将spoof SPP超构材料集成于片上RTWO振荡源，提出超构旋转行波振荡源（Meta-RTWO）概念。该结构通过spoof SPP对色散的精准调控，在65 nm CMOS工艺上实现了正交振荡源低至0.21°的相位误差和 188.5 dBc/Hz的高FOM值，相关指标优于近期使用28 nm CMOS先进工艺的同类设计，为高精度射频系统提供了全新的解决方案，有望开辟超构芯片和系统新范式。

相关研究成果以 “A plasmonic meta-rotary travelling-wave oscillator with ultrahigh phase accuracy and figure of merit” 为题发表于《Light: Science & Applications》。

研究背景

正交振荡源作为无线收发系统核心，其正交相位精度与FOM值直接决定通信系统性能。其中，正交相位精度是评估信号纯净度的关键指标，高相位误差会显著增加高阶调制（如256-QAM）的误码率。而FOM值是包括相位噪声、频率及功耗指标在内的综合评价指标。目前，产生正交信号常用的方法是采用耦合正交振荡源（QVCO）的方式，但这种方式为实现较高相位精度需利用正交耦合强制牵引频率，使其偏离LC谐振点，导致谐振腔Q值折损与相位噪声恶化，最终陷入FOM-相位精度的固有权衡。而旋转行波振荡源（RTWO） 虽具天然多相优势，但其莫比乌斯环谐振器受芯片平面工艺的物理约束，会导致电流相位失准与噪声抬升。因此正交振荡源的相位精度和FOM值在传统设计中难以同时达到理想状态，亟需从物理底层出发引入电磁波相速调控自由度，进而实现双指标协同优化。

研究亮点

本文创新性地将人工表面等离激元集成到片上正交振荡源中，提出并研制了超构旋转行波振荡源芯片（Meta-RTWO），实现了超高相位精度与高FOM值的协同突破。该结构基于莫比乌斯环谐振腔和均匀分布负阻单元构建（图1a），其振荡频率由传输线总长度决定。通过传输线不同节点分接信号，可直接提取多相位输出。为了实现高精度低噪声正交信号（即完美振荡态），RTWO需严格满足莫比乌斯环各传输线段在振荡频率下的相位恒等于90°，以确保谐振腔全域电流相位同步对齐。如图1(a)所示，Meta-RTWO谐振腔由三边非交叉的spoof SPP结构（见图2(a)）与单边交叉的跳线spoof SPP传输线（见图2(b)）首尾连接构成。图2(c)所示的相位特性比较表明，四种spoof SPP传输线在0-100 GHz频段内的相位曲线高度重合，在25.5 GHz处最大相位差仅0.16°；而同等长度微带线的相位响应显著离散，同频点的相位差高达2.81°。图2(d)进一步揭示相邻spoof SPP单元在25.5 GHz的特征阻抗最大偏差为2.1 Ω，其引发的反射能量比低至0.5%，实现了RTWO谐振腔的相位一致性。

图1. Meta-RTWO 的理论分析。(a) Meta-RTWO 结构：莫比乌斯环谐振腔和和均匀分布的 -Gm 单元结构。(b) Meta-RTWO 开环结构。(c) 谐振器的振幅与相位响应曲线。(d) Meta-RTWO 在 ω_i=ω₀=4.7e¹¹rad/s 和ω_i+4-ω_i=1.7e¹¹rad/s 两种情况下的时域仿真波形。

图2. Meta-RTWO 谐振器的设计。(a) 非交叉的spoof SPP TL 结构。(b) 交叉跳线的spoof SPP TL 结构。(c) Meta-RTWO 和MS-RTWO 谐振器不同段传输线的相移曲线。(d) 组成 Meta-RTWO 谐振器的不同spoof SPP 单元的特性阻抗提取。

图3(a)和(b)分别展示了基于65 nm CMOS工艺制备的Meta-RTWO与对应的微带型MS-RTWO芯片。实测结果表明，Meta-RTWO工作频率为25.5 GHz，而MS-RTWO的工作频率为31.2 GHz，如图3(c)所示。图3(d)揭示了Meta-RTWO的相位噪声为-112.72 dBc/Hz@1MHz，而MS-RTWO的相位噪声为-99.4 dBc/Hz；对应的FoM值分别为188.5 dBc/Hz与175.7 dBc/Hz，凸显了超构设计的显著优势。图3(e)表明，Meta-RTWO的相位误差均值仅为0.21°，较MS-RTWO的13.68°降低两个数量级，完全满足高精度射频系统需求。

图3. 实验验证。(a) Meta-RTWO 芯片的显微照片。(b) MS-RTWO 芯片的显微照片。(c) Meta-RTWO 和MS-RTWO 的频谱测量结果。(d) Meta-RTWO 和MS-RTWO 的相位噪声测量结果。(e) Meta-RTWO 和 MS-RTWO 的正交信号相位误差测量结果。

总结与展望

此本研究创新性地提出基于人工表面等离激元的超构旋转行波振荡源（Meta-RTWO）芯片，突破了传统正交振荡源中相位精度与FOM值的固有权衡。本研究在65 nm CMOS工艺节点实现了正交振荡源低至0.21°的相位误差和 188.5 dBc/Hz的高FOM值，相关指标优于近期用28 nm CMOS先进工艺的同类设计水平。展望未来，Meta-RTWO技术将为6G大规模MIMO系统天线阵列实时校准、太赫兹量子通信的亚皮秒级同步、以及智能感知网络的超分辨率波束成形突破衍射极限等前沿领域提供核心支撑。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01966-z