微波毫米波電路集成技術(shù)研究.pdf

1、近年來(lái)，微波毫米波電路與系統(tǒng)一直朝著小型化、低成本、高性能和高集成度方向發(fā)展。一方面，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，硅基微波毫米波單片集成電路逐漸成為國(guó)際上的研究熱點(diǎn);另一方面，作為微波毫米波系統(tǒng)的重要組成部分，新型高性能無(wú)源元件的平面化設(shè)計(jì)對(duì)于系統(tǒng)的集成也具有重要意義。本文圍繞微波毫米波電路的集成化設(shè)計(jì)，分別對(duì)片上硅基CMOS集成電路和片外易于平面集成的高性能無(wú)源元件開(kāi)展了比較深入的研究。論文的主要工作如下:
　　第一章主要研究45GH

2、z頻段的CMOS功率放大器和低噪聲放大器。功放采用三級(jí)cascode結(jié)構(gòu)，其中第一級(jí)為單端放大器，后兩級(jí)為平衡式放大器。通過(guò)在cascode結(jié)構(gòu)中引入一種增益提升技術(shù)，功放的3dB帶寬和帶內(nèi)增益平坦度得到了很大的改善。低噪放采用兩級(jí)cascode結(jié)構(gòu)。通過(guò)在cascode結(jié)構(gòu)中的共源級(jí)和共柵級(jí)晶體管之間引入串聯(lián)電感，有效地防止了共柵極晶體管寄生電容對(duì)放大器噪聲的惡化。本章部分研究成果將在IEEE IWS'2014國(guó)際會(huì)議上發(fā)表。

3、　　第二章研究了一種基于弱反型偏置技術(shù)的寬帶、低功耗、低本振功率的CMOS毫米波上、下變頻器。尤其在下變頻器的設(shè)計(jì)中，通過(guò)在其偏置網(wǎng)絡(luò)中引入有源負(fù)載，有效地提升了下變頻器的線性度及其在本振功率較高時(shí)的變頻增益，而其在本振功率較低時(shí)的變頻增益幾乎不受影響。測(cè)試結(jié)果表明，引入有源負(fù)載后下變頻器的ⅡP3提高了5.6dB，而代價(jià)僅是增加了1.8mW的直流功耗。本章部分研究成果已在IEEE Trans.on Circuits and System

4、Ⅱ國(guó)際核心期刊上發(fā)表。
　　第三章主要研究具有較高集成度的45GHz CMOS單片零中頻發(fā)射機(jī)和零中頻接收機(jī)。其中，零中頻發(fā)射機(jī)包括一個(gè)三級(jí)功率放大器，一個(gè)90°定向耦合器、一個(gè)Wilkinson功分器和兩個(gè)相同的上變頻器。它在42-48GHz的頻率范圍內(nèi)的變頻增益為24.4-26.9dB，鏡像抑制度大于17.9dB，載波抑制度大于25dB，飽和輸出功率大于14.8dB。零中頻接收機(jī)包括一個(gè)兩級(jí)低噪聲放大器，一個(gè)90°定向耦合器、

5、一個(gè)Wilkinson功分器和兩個(gè)相同的下變頻器。它在42-48GHz頻段內(nèi)的變頻增益為16.9-19dB，I/Q兩路輸出之間的幅度差小于0.9dB，相位差在83.9°-91.6°之間，具有較好的變頻增益和平衡性能。
　　第四章研究了一個(gè)支持?jǐn)?shù)Gbps速率的低功耗、低成本的45GHz OOK短距離無(wú)線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括發(fā)射機(jī)芯片、接收機(jī)芯片和一對(duì)板上基片集成波導(dǎo)(Substratedintegrated waveguide: S

6、IW)饋電的八木天線。發(fā)射機(jī)輸出功率為7dBm，開(kāi)/關(guān)隔離度優(yōu)于50dB，功耗為61.6mW。接收機(jī)采用非相干解調(diào)，功耗為53.6mW。收發(fā)芯片與天線通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的鍵合工藝在PCB上進(jìn)行集成，并利用片外精心設(shè)計(jì)的鍵合線補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了寬帶匹配，大大降低了系統(tǒng)封裝的成本。此外，SIW饋電天線還為收發(fā)芯片提供了可靠的靜電保護(hù)。該收發(fā)系統(tǒng)在4 Gbps的速率下的零誤碼率(BER＜10-12)傳輸距離達(dá)到了55cm，系統(tǒng)單位距離單位比特消耗的功率(B

7、it energy per distance: BEEPD)為0.52pJ/bit/cm。這是目前國(guó)際上所報(bào)道的傳輸距離最遠(yuǎn)和BEEPD最好的毫米波OOK無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)。本章研究成果已投稿至IEEE Trans.on Microwave Theory and Technology。
　　第五章主要研究微波毫米波系統(tǒng)中高性能無(wú)源元件（如濾波器、魔T和巴倫等）的設(shè)計(jì)。包括:1）提出了一種新型的基于1/4波長(zhǎng)階梯阻抗諧振器(SIR)的可控

8、混合電磁耦合濾波器。對(duì)于N階濾波器，最多可實(shí)現(xiàn)N-1個(gè)可控的傳輸零點(diǎn)。利用這些傳輸零點(diǎn)可以在濾波器階數(shù)較小的條件下實(shí)現(xiàn)較好的頻率選擇性和阻帶特性，從而有效地減小了濾波器的插入損耗和面積。2）利用SIW腔體的寄生模實(shí)現(xiàn)了具有良好阻帶性能的SIW交叉耦合濾波器。通過(guò)合理利用濾波器中第一個(gè)腔體的寄生模（TE101模）和第四個(gè)腔體的寄生模（TE201模），在濾波器的阻帶中引入了兩個(gè)額外的傳輸零點(diǎn)，有效地改善了SIW濾波器的阻帶性能。3）首次采用

9、在SIW中嵌入帶狀線的混合SIW結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了寬帶的平面魔T。該魔T采用E面的SIW功分器實(shí)現(xiàn)寬帶的等幅同相輸出，采用帶狀線到雙層SIW的轉(zhuǎn)接實(shí)現(xiàn)寬帶的等幅反相輸出。由于帶狀線到雙層SIW的轉(zhuǎn)接具有很寬的帶寬，有效提升了魔T的帶寬。4）首次采用基片集成同軸線技術(shù)對(duì)超寬帶的單路巴倫和雙路巴倫進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。為了改善巴倫的輸入匹配和帶寬，在巴倫平衡端的差分信號(hào)線中引入了一對(duì)四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器。此外還對(duì)該巴倫的輸入阻抗進(jìn)行了詳細(xì)的分析，提取