第五代移动通信(5G,5th Generation Mobile Communication)自2019年起已经逐渐开始商用化,新一代移动通信时代已经来临了。其中,以大规模多输入多输出（Massive MIMO或者Large-scale MIMO）技术为核心的多天线技术在其中发挥着至关重要的作用,受到了工业界和学术界的高度重视。多天线通信系统是未来通信系统发展的趋势,并且随着通信速率越来越高,多天线通信系统中使用的天线数目或者通道数目必将越来越多,这使得通信系统架构及其电路布局变得越来越复杂。同时,通信系统及其测量系统在很多情况下需要支持尽可能多的通信标准,其工作频率则需要覆盖多个频段,因而在保证通信质量的前提下,无线通信系统在宽带、集成和小型化方面提出了更高的要求,对其进行深入研究具有重大意义。本文针对多天线通信系统射频接收前端的关键技术和研究热点,对巴伦与混频器等关键器件以及系统级集成技术方案进行深入的理论研究与实验验证,其主要研究内容和创新性成果如下:（1）本文对Marchand巴伦的带宽特性进行深入研究,突破了传统研究方法中涉及的诸多限制条件,将研究重点集中于巴伦的带宽特性与传输线特征阻抗之间的直接对应关系上,在一定程度上将反射系数的值在整个工作带宽上平坦化,从而获得了更高的工作带宽,并在此基础上,结合所用集成电路工艺中无源电路的特点以及利用二极管混频环的射频特性与二极管尺寸之间的关系选择合适的二极管尺寸,最终综合优化并研制出一款工作带宽覆盖7～40GHz的宽带无源双平衡混频器芯片。首先,为了解决传统方法在高耦合系数下遇到的带宽问题,本文进一步研究了理想Marchand巴伦的特性,提出了偏离阻抗的概念,表征偏离最优匹配的程度,并得出了其工作带宽与传输线特征阻抗之间的关系,该方法有利于更好地观察耦合传输线的特征阻抗的变化对Marchand巴伦的带宽产生的影响;在此基础之上,利用谐波平衡法仿真观察二极管混频核在一定本振信号功率的驱动下所呈现的输入阻抗特性随二极管尺寸的变化趋势,并结合Marchand巴伦的阻抗特性,确定二极管管芯的合适尺寸,该设计过程最大的优势是充分利用了Marchand巴伦和二极管混频环自身的射频特性进行级间匹配,从而使得整个混频器的设计更加紧凑,充分减少了冗余电路的引入,既获得了较宽的工作频率范围,也从一定程度上减小了芯片尺寸。最终,混频器的设计采用标准150nm砷化镓p HEMT（pseudomorphic High Electron Mobility Transistor）工艺,电路的实测结果与仿真结果吻合较好,在整个频率范围内,混频器的变频损耗为9.5～12.5d B,本振信号到射频端口的隔离度均大于30d B。上述研究成果已经发表在国际期刊Wiley International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering。（2）本文提出一种基于非对称并联螺旋耦合结构的新型小尺寸宽带巴伦无源芯片的设计方法,其工作频率范围突破了传统Marchand巴伦大多只有数倍频程带宽的限制,达到了超过十倍频程的超宽带工作范围。该新型巴伦由两个的螺旋耦合结构的传输线并联构成,进一步研究其等效的理想耦合线电路模型并推导出其S参数矩阵,得到了在对称结构下,该巴伦的幅度不平衡性在分贝值上恰好等于耦合线的耦合系数的值,进而得出在对称结构的条件下,具有接近于1（即0d B）的高耦合系数的螺旋结构的耦合线,由其组成的新型巴伦本身具有较低的幅度不平衡性,当稍微调整其中一边耦合线的尺寸或者电路布局后,在理论上可以完全消除幅度上的不平衡性,从而得到具有理想特性的宽带巴伦。进一步研究集成无源器件工艺的特点和使用场景,研制了两款具有不同耦合结构的新型宽带巴伦芯片。其中一款基于窄边耦合的螺旋结构宽带巴伦,使用具有两层外延金属层结构的IP2M（Integrated Passive 2 Metal）工艺,测试结果显示,该巴伦在2～18GHz（百分比带宽160%）的工作频率范围内,插入损耗均小于6d B,幅度和相位不平衡分别低于1d B和3度,反射系数低于-10d B,该成果已经发表在国际期刊IET Electronics Letters;另一款是基于宽边耦合的螺旋结构宽带巴伦,使用具有三层外延金属层结构的IPD（Integrated Passive Device）工艺,测试结果显示,该巴伦在1.34～16.37GHz（百分比带宽170%）的工作频率范围内,插入损耗均小于8d B,幅度和相位的不平衡分别低于1d B和5度,反射系数低于-11.8d B,该成果已发表在国际期刊IET Electronics Letters。（3）针对工作频率在6GHz以下的无线通信应用频段,从接收机射频前端的整体性能出发,以及基于LTCC系统级封装芯片的整体布局,本文研制出具有广泛应用价值的多功能芯片套件,并在此基础上,进一步讨论裸芯片和系统级封装芯片在多天线通信系统中的应用场景。一方面,受益于当前PCB制造工艺以及模块组装技术的不断发展,裸芯片可无需经过封装而高效地组装到PCB电路当中,这方便了芯片的调试与改进,可以最大限度地发挥芯片的工作性能,基于此,本文基于裸芯片键合的微组装技术,研制了一款双通道射频接收前端系统;另一方面,考虑到未来多天线技术的发展,特别是大规模MIMO技术的发展需求,通信系统对射频通道数量的要求与日俱增,这对芯片的集成度提出了更高的要求,基于此,本文重点研究了基于LTCC工艺的系统级封装技术,将多款多功能芯片和高性能片外滤波器集成在同一块封装内,充分考虑信号间串扰以及芯片引脚布局等因素,研制了一款系统级封装芯片。各个多功能芯片的设计与功能的划分是基于系统指标并充分考虑信号流向与芯片端口的相对位置等因素,而构成各个多功能芯片的单元电路包括低噪声放大器（LNA）、混频器、中频大器、本振驱动放大器、射频开关、数控衰减器以及逻辑电平变换器等自研芯片。本章的部分研究成果已经在中文核心期刊微波学报上发表以及录用于国际期刊Microwave Journal。