硅基毫米波功率放大器研究與設計.pdf

1、在近幾十年，無線通信技術隨著電子技術的發(fā)展而得以迅速發(fā)展，但隨之出現(xiàn)了在低頻頻段開始出現(xiàn)了頻譜資源日益緊張。同時隨著多媒體技術的發(fā)展，人們對無線通信系統(tǒng)的要求越來越高。不過，幸運的是毫米波頻段的頻譜資源豐富而且能夠實現(xiàn)高速率傳輸，毫米波技術給無線通信研究提供了廣闊的頻譜資源空間，同時給無線通信帶來了新的活力和更多的選擇。
　　其中60GHz技術以其頻帶寬、抗干擾力強、傳輸安全性高，超高速的數(shù)據(jù)傳輸能力等眾多優(yōu)點，成為下一代無線通信

2、系統(tǒng)的發(fā)展方向，是學術界和工業(yè)界的研究熱點。而當通信頻率高于100GHz時，可提供高達10Gb/s的無線傳輸速率和更為緊湊的系統(tǒng)結構，易于多功能集成實現(xiàn)應用。
　　當前，歐美、日本以及中國臺灣的各大高校、研究機構以及各大消費電子產(chǎn)品公司紛紛開展60GHz以及高于100GHz頻率技術的研究，取得了顯著的成果。近年，國內(nèi)外關于60GHz以及高于100GHz頻率的硅基功率放大器的文獻數(shù)量有了顯著增長，電路性能也大幅提高。本文總結了60G

3、Hz和高于100GHz頻率的硅基功率放大器的研究進展，探討硅基毫米波功率放大器的挑戰(zhàn)和設計方法，并對60GHz CMOS以及150GHz SiGe BiCMOS功率放大電路進行研究與設計。其內(nèi)容簡述如下：
　?。?）本文調研了60GHz以及高于100GHz頻率的硅基功率放大器的相關文獻，歸納出電路的典型結構及技術指標。截止至2013年，IEEE報道的60GHz CMOS功率放大器的飽和輸出功率從8dBm提高到超過20dBm，增益從

4、5.2dB提高到近30dB，PAE從7％提高到了25%以上。而高于100GHz頻率硅基的功率放大器的典型指標：飽和輸出功率基本都在15dBm以內(nèi)，增益大于10-25dB，PAE一般小于10%。截止到2013年，高于100GHz功率放大器的最優(yōu)的指標能夠達到：最高工作頻率為260GHz，最高飽和輸出功率為13.2dBm，最高增益為24.3dB，最高PAE為14.6%。
　?。?）本文較為詳細地討論了功率放大器的基礎理論，同時深入的調

5、研針對硅基工藝下毫米波功率放大器設計的挑戰(zhàn)以及深入的調研并詳細探討毫米波電路設計的方法。隨著硅基工藝的不斷進步，目前硅基工藝的有源器件截止頻率 fT已經(jīng)能夠達到300GHz，這使得硅基毫米波集成功率放大器的設計成為可能。但硅基工藝毫米波功率放大器的設計仍然存在諸多挑戰(zhàn)。有源器件擊穿電壓低限制了毫米波功率放大器的輸出功率硅基工藝高損耗加大了傳輸線的損耗，此外器件模型精確度不高也成為毫米波功率放大器的設計的一個巨大的挑戰(zhàn)。針對這些不利因素，

6、本文列舉了目前多種能夠一定程度上解決這些挑戰(zhàn)的方法，例如：功率合成、逼近截止頻率等設計方法。
　?。?）本文設計了一款基于 TSMC90nm CMOS工藝的60GHz功率放大器。在此功率放大器的設計中，針對毫米波頻段晶體管增益不夠的情況，采用共源共柵結構和在第一級共源器件柵漏之間并聯(lián)電感諧振掉MOS管寄生電容Cgd的方法來提高增益，并完成了流片加工和測試；針對測試性能不理想的情況進行了分析，找出了與仿真結果之間差異的原因所在，從而

7、得出了一定的設計方法。
　?。?）此外本文采用上文歸納總結的設計方法，還設計了一款基于 IHP0.13μm SiGe BiCOMS工藝的150GHz功率放大器。在150GHz的功率放大器的設計中，采取了差分結構和變壓器功率合成的方法來提高放大器的輸出功率。同時，電路采用共發(fā)射極結構，通過巴倫實現(xiàn)單轉雙輸入以及雙轉單輸出，實現(xiàn)功率分配、功率合成、阻抗匹配以及中間抽頭實現(xiàn)偏置輸入。在電路核心部分實現(xiàn)軸對稱，這樣較好的抑制共模信號。最后