毫米波單片集成電路的研究.pdf

1、毫米波單片集成電路具有集成度高、功耗低、可靠性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在無線通信、雷達(dá)、遙感、精確制導(dǎo)等方面有著重要的應(yīng)用。本文主要采用GaAs pHEMT工藝，較為系統(tǒng)地研究并實(shí)現(xiàn)了多種毫米波單片集成電路，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了毫米波接收前端電路模塊，主要研究?jī)?nèi)容包括：
　　 (1)研究了在接近工藝截止頻率的情況下改進(jìn)低噪聲放大器性能的方法。以最小噪聲測(cè)量為設(shè)計(jì)依據(jù)，通過適當(dāng)提高偏置電流的方法改善毫米波頻段的增益，使得毫米波頻段放大器

2、在保持噪聲系數(shù)較小的同時(shí)獲得較高的增益。在此基礎(chǔ)上研制了三種寬帶低噪聲放大器芯片，工作于28～40GHz頻段。其中，第一種是兩級(jí)低噪聲放大器，增益最大為15.4dB、噪聲系數(shù)最小約為3.2dB：第二種是三級(jí)低噪聲放大器，增益最大為24.8dB、噪聲系數(shù)最小約為2.8dB；第三種是四級(jí)低噪聲放大器，增益最大為28dB、噪聲系數(shù)最小約為2.5dB。
　　 (2)研究了兩種結(jié)構(gòu)形式的分布式寬帶放大器，對(duì)比了晶體管數(shù)量相同的兩種結(jié)構(gòu)在增

3、益與功率容限方面的優(yōu)缺點(diǎn)，可分別適應(yīng)于不同的需求。同時(shí)在設(shè)計(jì)中采用電阻－電容結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)分布式放大器中的終端電阻以降低直流功耗。第一種分布式放大器采用單級(jí)結(jié)構(gòu)，工作頻率范圍為10～40GHz，增益為9.4±1.1dB，1dB壓縮點(diǎn)最大輸出功率為21.5dBm；第二種分布式放大器采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，工作頻率范圍為15～40GHz，增益為12.2±1.4dB，1dB壓縮點(diǎn)最大輸出功率為17dBm。(3)研究了直接多管并聯(lián)和多路放大合成兩種形式

4、的放大器功率合成方法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了兩種驅(qū)動(dòng)放大器芯片，其中第二種放大器在26GHz處的ldB壓縮點(diǎn)輸出功率為23.5dBm。
　　 (4)研究了毫米波頻段的多種混頻方案。其中第一種是有源混頻器，通過采用柵極混頻結(jié)構(gòu)與濾波元件實(shí)現(xiàn)了很高的隔離度，變頻增益為0.6dB、LO-IF隔離度大于55dB、RF-IF的隔離度大于30dB：第二種采用平衡式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了寬帶鏡像抑制混頻器，其結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)良，在24～40GHz頻段內(nèi)變頻損耗

5、小于10.6dB、鏡像抑制度大于15dB；第三種是分諧波混頻器，在設(shè)計(jì)中提出了新穎的輸入耦合形式，并采用并聯(lián)到地的二級(jí)管對(duì)混頻結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步拓寬了工作頻段、提高了端口隔離度、減小了芯片面積，研制的混頻器在18～40GHz頻段內(nèi)變頻損耗小于13.5dB，芯片面積僅為0.66mm2。
　　 (5)綜合考慮插入損耗、隔離度與帶寬等性能指標(biāo)，采用并聯(lián)型結(jié)構(gòu)研制了低損耗單刀雙擲開關(guān)芯片。在30～40GHz內(nèi)插入損耗小于1.2dB、隔離度大于

6、20dB。
　　 (6)采用FET倍頻方案實(shí)現(xiàn)了三倍頻器，其直流功耗低、變頻損耗小，在輸出頻率范圍為35～36.7GHz內(nèi)，變頻損耗小于5dB、基波抑制大于20dB、2次諧波抑制大于35dB。
　　 (7)基于130nm CMOS工藝設(shè)計(jì)了100GHz壓控振蕩器芯片，采用交互耦合式Push-Push結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)較低的相噪，仿真指標(biāo)為：在101.6GHz，輸出功率為－6.2dBm，偏移10MHz處的相位噪聲優(yōu)于－116dBc/

7、Hz。
　　 (8)設(shè)計(jì)了X波段鎖相源，同時(shí)結(jié)合自主研制的三倍頻芯片，實(shí)現(xiàn)了毫米波鎖相倍頻源，輸出頻率可調(diào)范圍為35～36.7GHz，相位噪聲優(yōu)于-92dBc/Hz@100KHz，輸出功率大于4.8dBm。
　　 (9)基于自主研制的低噪聲放大器、分布式寬帶放大器和混頻器等芯片，實(shí)現(xiàn)了兩種形式的毫米波接收前端。第一種接收前端采用鏡像抑制混頻方案，在28～31GHz頻段內(nèi)增益大于12.5dB，在本振頻率為30GHz、輸出中