60GHz硅基毫米波接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究與芯片設(shè)計(jì).pdf

1、隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)無線通信速率要求的不斷提高，在很多場(chǎng)合需要支持?jǐn)?shù)吉比特每秒的傳輸速率。本世紀(jì)以來，各國相繼開放了60GHz附近連續(xù)的5-7GHz帶寬用于毫米波短距離高速傳輸應(yīng)用，比如無線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)和無線高清多媒體(wireless HD)等。這極大地激發(fā)了學(xué)術(shù)與工業(yè)界對(duì)60GHz毫米波接收機(jī)的研究熱情，研究成果也不斷涌現(xiàn)，而在這些成果中硅基CMOS工藝占據(jù)了主導(dǎo)地位。作為一種高集成度及低成本的工藝，CMOS工藝的進(jìn)步使之在毫米波頻

2、段已經(jīng)具有足夠的吸引力。研究60GHz硅基毫米波接收機(jī)對(duì)60GHz通信技術(shù)的普及具有特別重要的意義。本文基于65nm CMOS工藝對(duì)60GHz毫米波接收機(jī)及其關(guān)鍵電路進(jìn)行了深入的研究，這些電路包括低噪聲放大器、混頻器、中頻放大器、低通濾波器及可變?cè)鲆娣糯笃鞯取?br>　　本文討論了CMOS毫米波電路設(shè)計(jì)中的基本問題。毫米波電路設(shè)計(jì)區(qū)別于吉赫茲電路的特點(diǎn)包括晶體管工作在接近其極限頻率、信號(hào)波長(zhǎng)短造成互連線的分布效應(yīng)不可忽略、寄生參數(shù)對(duì)電路

3、工作狀態(tài)影響大等，這些特點(diǎn)決定了毫米波電路的設(shè)計(jì)方法與思路。分析了CMOS工藝中包括傳輸線、電感、電容和晶體管等基本元器件在毫米波頻段的特性及在電路設(shè)計(jì)中的考慮。介紹了用電磁仿真軟件HFSS建立片上無源元件模型的過程，通過兩種巴倫，即變壓器巴倫和Marchand巴倫為例進(jìn)行了建模與仿真，并分析了它們?cè)谧栊耘c容性負(fù)載情況下的特性。
　　本文分析了MOS晶體管在各極端接阻抗時(shí)的輸入阻抗、跨導(dǎo)與噪聲性能，在后續(xù)電路設(shè)計(jì)中可直接引用這些結(jié)

4、論。為了獲得足夠的增益，本文中的毫米波低噪聲放大器采用了多級(jí)級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)，并針對(duì)每級(jí)的特點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在毫米波低噪聲放大器的第一級(jí)采用了共源結(jié)構(gòu)以同時(shí)獲得較好的輸入阻抗匹配與噪聲性能，而在后續(xù)各級(jí)使用共源共柵結(jié)構(gòu)以提高隔離度并獲得較高的增益。在本文中，為了改善低噪聲放大器的輸入匹配、噪聲、增益及帶寬等性能，采用了輸入LC階梯網(wǎng)絡(luò)、共源共柵中和電感、柵極反饋電感和級(jí)間T型網(wǎng)絡(luò)等電感性能提升技術(shù)。所設(shè)計(jì)出的低噪聲放大器具有17.3dB的增

5、益和20GHz的帶寬，噪聲系數(shù)小于5dB，由此總結(jié)出了改進(jìn)的60GHz低噪聲放大器的公式化設(shè)計(jì)方法。本文提出了基于電流復(fù)用正反饋結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器，并分析了其穩(wěn)定性、跨導(dǎo)及噪聲性能，測(cè)試結(jié)果表明其在小于10mW的功耗時(shí)具有14.9dB的增益和16GHz的帶寬，揭示了其低功耗應(yīng)用潛力。
　　本文指出了傳統(tǒng)Gilbert結(jié)構(gòu)混頻器直接應(yīng)用于基于滑動(dòng)中頻結(jié)構(gòu)的60GHz接收機(jī)中出現(xiàn)的問題，尤其是混頻器的中頻帶寬相對(duì)信道帶寬較窄。為了有效

6、解決這些問題，本文基于Gilbert結(jié)構(gòu)提出了帶有LCR串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)和交叉耦合對(duì)的混頻器結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在Gilbert跨導(dǎo)級(jí)采用了電流注入及電感調(diào)諧技術(shù)，而在負(fù)載級(jí)加入了并聯(lián)的LCR串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)和交叉耦合對(duì)引入負(fù)電導(dǎo)，以同時(shí)擴(kuò)展帶寬和彌補(bǔ)增益的損失。通過對(duì)這種結(jié)構(gòu)的增益與帶寬進(jìn)行分析，得到了其增益帶寬積隨負(fù)電導(dǎo)增加而升高的結(jié)論，測(cè)試結(jié)果表明其增益為3dB時(shí)中頻帶寬為6.5-17.5GHz，而增益為7.5dB時(shí)具有8GHz的中頻帶寬，證明

7、了其同時(shí)具有適度增益與寬帶特性。
　　本文對(duì)應(yīng)用于60GHz通信系統(tǒng)的接收鏈路進(jìn)行了集成。將整個(gè)鏈路分為兩個(gè)芯片，芯片1包括低噪聲放大器、第一下變頻混頻器和中頻放大器，芯片2包括I/Q正交混頻器、除二分頻器、低通濾波器及可變?cè)鲆娣糯笃鞯?。接收機(jī)采用了基于滑動(dòng)中頻的二次變頻結(jié)構(gòu)，其中第一本振為48GHz，由24GHz本振源與倍頻器得到，中頻位于12GHz附近，第二本振為正交信號(hào)，由24GHz本振源經(jīng)除二分頻器得到。由于60GHz通信