60GHz CMOS發(fā)射機的設計與實現.pdf

1、無線通信經歷了幾十年的迅猛發(fā)展，通信速率從幾kbps增長到了幾百Mbps，可是多媒體業(yè)務和高清視頻數據等對通信速率提出更高的要求。面臨傳統(tǒng)的頻譜資源日益緊張的趨勢，為了滿足下一代無線通信的高達數Gbps傳輸速率的需求，60GHz毫米波通信成為下一代無線通信標準的有力候選。要實現60GHz通信系統(tǒng)商用，低功耗和低成本的CMOS工藝是首選方案。然而要實現60GHz射頻通信系統(tǒng)芯片，仍有許多問題亟待解決。在國內目前毫米波芯片設計基礎較為薄弱的

2、背景下，本論文針對60GHz射頻通信系統(tǒng)芯片中的發(fā)射機部分開展了較深入的研究，論文的主要研究內容和貢獻概括如下:
　　1)設計并實現了多款60GHz CMOS功率放大器。針對CMOS工藝的低fmax，低工作電壓，以及bulk工藝在毫米波段的高損耗的特點，本論文提出和應用了一系列新的電路設計技術。a）電容中和-偽差分共源放大器具有高增益，穩(wěn)定，高隔離度等優(yōu)點，論文給出了詳細的數學證明;b）采用變壓器功率合成技術提高輸出功率，具有面積

3、小，損耗低的優(yōu)點;c）從匹配軌跡出發(fā)，提出了新的級間匹配方式，極大的降低了匹配網絡的損耗等。利用這些技術，本論文實現了兩款大功率功率放大器，其中四路功率合成三級功率放大器測試增益為24.5dB，飽和輸出功率Psat超過18dBm，最大效率PAEmax為13％;八路功率合成功率放大器測試增益為25dB，Psat達到20.6dBm，輸出1dB壓縮點OP1dB超過17dBm，PAEmax達到16％。針對發(fā)射機對功率放大器的要求，論文又設計了一

4、款非對稱供電的功率放大器，通過電路及版圖優(yōu)化，放大器克服了非對稱供電對平衡性的影響。仿真結果表明放大器增益超過30dB，Psat達到19dBm，PAEmax為16％。為了解決功率放大器帶寬的問題，論文設計了一款頻帶可調的功率放大器，利用開關電容技術對放大器匹配進行調節(jié)。仿真表明放大器能夠覆蓋IEEE802.15.3c標準四個通道，帶內平坦度小于1dB。為增大輸出功率，放大器采用極限增大晶體管尺寸的方法，僅一路差分就實現了超過16dBm的

5、輸出功率。本論文所設計的幾款功率放大器，在增益，輸出功率，效率，帶寬各方面達到了世界上同類功率放大器的先進水平。
　　2)設計并實現了一款60GHz CMOS上變頻器。此上變頻器采用雙平衡吉爾伯特結構，差分輸入差分輸出，同時內接本振緩沖器和射頻緩沖器，降低了本振信號的驅動功率，提高了射頻信號的輸出線性度。由于采用變壓器匹配的方法，此上變頻器面積緊湊，增益平坦性也十分出色。與已發(fā)表結果相比，本論文采用變壓器匹配，實現寬帶高增益和低損

6、耗，不僅覆蓋了IEEE802.15.3c標準所指定的四個通道，而且?guī)炔▌有∮?.5dB，不考慮本振緩沖器的功耗，此混頻器僅消耗32mW功率，而OP1dB達到2.5dBm，轉換增益達到14dB，各個方面的性能都表現優(yōu)異。
　　3)設計并實現了60GHz全集成CMOS收發(fā)機中的發(fā)射機。從系統(tǒng)鏈路計算開始，分析了實現設定目標所需要的發(fā)射機指標;發(fā)射機采用滑動中頻架構，降低了IQ正交調制器的設計難度;詳細分析了影響發(fā)射機EVM的各個非理

7、想因素，提出了各個模塊電路的設計目標;介紹了發(fā)射機各個模塊的設計要點;給出了發(fā)射機測試的結果。測試結果表明，本發(fā)射機能夠實現最高達10.6Gb/s傳輸速率，最高發(fā)射功率能夠達到11.52dBm，EVM測試結果完全滿足IEEE標準要求的-14dB(QPSK)和-21 dB(16QAM)的要求。最后給出了收發(fā)機的測試結果，結果表明此收發(fā)機系統(tǒng)傳輸速率為3.5Gbps(7Gbps)時，傳輸距離可以達到6m(4m)，滿足項目設計要求，是一款性能