140GHz硅基收發(fā)前端關(guān)鍵電路設(shè)計.pdf

1、太赫茲頻段既有適合保密性通信的大氣衰減頻段，又有適合較遠距離通信的大氣窗口頻段。其中，140GHz附近是頻率相對較低的一個大氣窗口，適合進行過渡階段的研究。目前，太赫茲領(lǐng)域的技術(shù)研究越來越熱，一方面針對通信領(lǐng)域，大數(shù)據(jù)傳輸正是未來的發(fā)展趨勢；另一方面針對成像的研究，包括安檢醫(yī)療領(lǐng)域等的應(yīng)用。而由于集成電路廣泛使用的硅基工藝克服了早期截止頻率低的缺陷，使得相關(guān)的研究可以在太赫茲領(lǐng)域展開。放大器在高頻的設(shè)計一直是一個難點，且是收發(fā)機前端不可

2、缺少的模塊，而SiGe HBT的fT/fmax已經(jīng)達到300/500GHz，使得設(shè)計更高頻率的放大器成為可能；而針對成像的應(yīng)用，較多基于CMOS工藝的研究，而且已有的研究中有采用不同的接收機結(jié)構(gòu)，很有研究意義。基于以上考慮，本文開展了140GHz硅基收發(fā)前端關(guān)鍵技術(shù)研究，并完成了基于SiGe HBT的寬帶驅(qū)動放大器和基于CMOS的成像接收機及片外天線的設(shè)計。論文的主要工作和貢獻如下：
　　1、研究并完成了單級、兩級、三級D-ban

3、d寬帶驅(qū)動放大器設(shè)計。使用補償匹配技術(shù)和各種細節(jié)調(diào)試處理，得到了預(yù)期的寬帶性能和穩(wěn)定性能。提出了平行開槽地結(jié)構(gòu)，簡化了電磁仿真，從而保證了在一定周期內(nèi)可以進行更充分的仿真優(yōu)化。為保證流片的成功率，進行了包括工藝角、電壓、溫度（PVT）偏差的仿真以盡可能保證設(shè)計與實際電路的一致性和結(jié)果的可分析性。仿真結(jié)果表明：單級放大器1dB帶寬48GHz，最大增益4.77dB。二、三級放大器3dB帶寬61、55GHz，最大增益9.8、16dB。三款電路

4、均實現(xiàn)全頻段穩(wěn)定。此次設(shè)計的寬帶驅(qū)動放大器，帶寬非常寬，仿真性能在國內(nèi)外報道的文章中具有優(yōu)勢。對地層金屬的處理方法和級聯(lián)多級放大器的方法，對該類設(shè)計具有一定的參考意義。
　　2、完成了一款可用于太赫茲成像的超再生接收機設(shè)計。接收機使用振蕩器加檢波結(jié)構(gòu)，并采用開口諧振環(huán)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的LC tank以提高Q值，采用主從振蕩的結(jié)構(gòu)增加信號幅度，以進一步提高接收機靈敏度。設(shè)計的接收機工作的中心頻率在141GHz，經(jīng)仿真，靈敏度達到了-80dB

5、m（國際上的設(shè)計目前大部分性能在-60~-80dBm之間）。測試結(jié)果表明該接收機各模塊均正常工作。因測試較為復(fù)雜和受儀器限制，目前正在進一步測試以確定其靈敏度性能。
　　3、完成了超再生接收機的片外天線設(shè)計。設(shè)計的一款中心頻率為140GHz的天線，仿真性能：帶寬（S11<-10dB）為20GHz，最大增益為7.26dBi。另外，作為140GHz的前期技術(shù)研究，完成了60GHz天線的設(shè)計和測試。測試結(jié)果表明：60GHz1×1、4×1