基于CMOS工藝的微波毫米波集成電路關鍵技術研究.pdf

1、隨著集成電路工藝的不斷發(fā)展，毫米波集成電路已經(jīng)是現(xiàn)階段通信、軍事和天文應用的研究熱點和發(fā)展趨勢。毫米波集成電路最早是采用GaAs和InP器件來實現(xiàn)，但這些器件不適合制作大規(guī)模集成電路，更不適合模擬與數(shù)字電路的單片集成，且成本較高。硅基器件特征尺寸的不斷縮小顯著提高了其工作頻率，使得硅基器件實現(xiàn)毫米波集成電路成為可能，同時解決了系統(tǒng)應用中高集成度和低成本的問題，這對毫米波集成電路的應用和普及具有重大意義。射電天文望遠鏡的出現(xiàn)促進了現(xiàn)代天文

2、學的發(fā)展，推動了諸多天文發(fā)現(xiàn)。射電天文望遠鏡的關鍵模塊之一是毫米波接收系統(tǒng)技術，在實際應用中要求毫米波接收系統(tǒng)具有小尺寸、輕重量、低成本和可重復生產(chǎn)能力，而基于CMOS工藝的毫米波接收系統(tǒng)迎合了這些應用需求。本文基于硅基CMOS工藝對毫米波寬帶接收系統(tǒng)中關鍵模塊及系統(tǒng)前端進行了深入研究，包括巴倫、毫米波CMOS低噪聲放大器、毫米波CMOS寬帶混頻器、CMOS高增益寬帶中頻放大器和毫米波CMOS接收系統(tǒng)前端。
　　本文給出了無源巴倫

3、的分析和設計，集中分析了微波毫米波集成電路中常用的兩種巴倫:Marchand結構巴倫和變壓器結構巴倫。對兩種巴倫做了原理性分析，并做了詳細的公式推導。提出了一種帶有中心開路短截線的變壓器結構巴倫，提高了巴倫的工作平衡度。最后設計實現(xiàn)了一個Marchand結構巴倫，在25-50GHz范圍內插入損耗為4.7dB-5.3dB，巴倫的1dB帶寬為21GHz-50GHz。巴倫的匹配帶寬為21GHz-50GHz，完全覆蓋目標頻率，并且在25GHz和

4、45GHz處呈現(xiàn)出最佳匹配狀態(tài)。設計了一個變壓器結構巴倫，巴倫的1dB帶寬為17-47GHz，在1-48GHz范圍內保持幅度不平衡度小于1dB，在2-47GHz范圍內保持相位不平衡度小于5°。此次巴倫的測試成功驗證了設計方法的合理性和電磁場仿真方法的可靠性，也為毫米波集成電路中無源器件的設計提供了有力保證。
　　本文詳細分析了毫米波寬帶低噪聲放大器的設計。毫米波放大器的設計需要依賴無源器件的考慮和設計，總結了毫米波集成電路中無源器

5、件的選擇及其對版圖布局的影響。分析了毫米波放大器的輸入寬帶匹配的實現(xiàn)，著重分析了帶有T形負載的源極電感負反饋結構共源放大器。推導了低噪聲放大器的噪聲優(yōu)化公式，著重分析了源級電感負反饋結構共源放大器的噪聲優(yōu)化過程，可以同時實現(xiàn)功率匹配和噪聲匹配。然后提出了類似分布式的毫米波寬帶低噪聲放大器，其中帶寬優(yōu)化技術包括柵極峰化電感、拓展共源共柵結構ft的電感、T形電感網(wǎng)絡和不對稱抽頭電感。最終設計和實現(xiàn)了一個毫米波低噪聲放大器，具有24-48GH

6、z的3dB帶寬和67％的相對帶寬，最小噪聲系數(shù)為3.1dB，工作電壓為1.2V，工作電流為17.6mA。與文獻中的設計比較，本設計具有非常寬的相對帶寬和較優(yōu)的噪聲系數(shù)。采用全電路三維電磁場仿真，對電感及信號連線進行電磁場仿真，結合Cadence進行聯(lián)合仿真，從測試結果來看，采用全電路電磁場仿真的方法是可靠可行的，可以有效地提高毫米波集成電路設計的準確性和成功率。
　　本文對固定中頻寬帶混頻器和固定本振寬帶混頻器做了詳細分析。在分析

7、了傳統(tǒng)吉爾伯特結構混頻器在應用中存在不足的基礎上，本文提出了采用巴倫實現(xiàn)零過驅動電壓結構的混頻器，并給出了變頻增益和輸入阻抗的表達式，以及各個部分的設計規(guī)則。與吉爾伯特結構比較，該結構能夠很好地工作在低電壓條件下，降低了對本振幅度的要求，并且可以降低功耗和噪聲系數(shù)，提高線性度。最后設計實現(xiàn)了一個固定中頻混頻器，其3dB帶寬為16-46GHz，變頻增益為5dB，最小噪聲系數(shù)為11dB，芯片面積為0.39mm2。本文也設計了一個固定本振混頻

8、器，其3dB帶寬為25-50GHz，變頻增益為-4dB，最小噪聲系數(shù)為15dB，核心工作電流為3.5mA，芯片面積為0.36mm2。
　　本文詳細討論了超寬帶高增益中頻放大器的分析和設計。介紹了中頻放大器的架構方案及內部各級模塊的特性。并且著重介紹了中頻放大器的輸入匹配和噪聲的設計優(yōu)化，在有源負反饋放大器的基礎上提出了添加輸入電感的電路結構，獲得了寬帶匹配和低噪聲性能。最后設計了一個具有1-16GHz帶寬和30dB增益的中頻放大器

9、，并且獲得了較好的測試指標，最小噪聲系數(shù)為3.76dB，功耗為42mW，與仿真結構比較一致，芯片面積為0.53mm2。
　　本文完成了各個系統(tǒng)模塊電路的集成，完成了毫米波寬帶接收機系統(tǒng)前端的設計和測試。其中給出了系統(tǒng)結構設計和接收鏈路的簡單預算。提出了應用于ALMA Band-1的系統(tǒng)前端結構，分析了系統(tǒng)中關鍵模塊之間的端口連接，分析了電源和地的設計考慮、電源濾波和監(jiān)測點的設置等，分析了隔離環(huán)的設計，提出了三種隔離環(huán)的結構。分別介