微波毫米波無源器件建模與單片集成電路設計.pdf

1、隨著無線通信由超高頻向微波及毫米波頻段的高速擴展,單片微波集成電路(MMIC)的應用范圍正逐步從軍用領域擴展到商用領域；同時隨著微電子技術與工藝的飛速進步,芯片的集成度和工作頻率也越來越高。更多的功能和更高的性能指標既推動了新型微波集成電路技術的發(fā)展,同時也對微波集成電路的設計及元器件的建模提出了更高的要求和更大的挑戰(zhàn)。
　　 一方面,片上無源器件在微波集成電路設計中應用廣泛,其中巴倫(Balun)作為改善電路性能的重要元件在需

2、要實現(xiàn)單端差分轉換的電路中更是不可或缺。另一方面,低噪聲放大器(LNA)和混頻器(Mixer)作為微波接收器前端的核心器件,其指標直接影響到系統(tǒng)的性能。本文基于GaAs和SiGe工藝,研究毫米波低噪聲放大器和混頻器的設計理論及設計方法,建立Marchand Balun的等效電路模型,并結合電磁場仿真技術,通過無生產(chǎn)線集成電路設計方法研制出具有自主知識產(chǎn)權的高性能單片微波芯片,總結并積累微波與毫米波集成電路設計的方法和經(jīng)驗,從而為快速可靠

3、地設計單片微波集成電路提供理論和實際意義上的借鑒和參考。主要內(nèi)容及成果分為以下幾個方面:
　　 (1)論文首先對耦合線理論進行了研究。從傳輸線及奇偶模理論入手,對耦合微帶線、耦合帶狀線寬邊耦合線及多導體耦合線這幾種基本類型進行了分析,并給出了這些耦合線的主要特性參數(shù)計算公式；基于奇偶模理論分析了對稱及不對稱耦合線的基本工作原理,為后續(xù)Balun的建模及共面波導電感的設計奠定了理論基礎。
　　 (2)基于耦合線理論和微波網(wǎng)

4、絡理論對Marchand Balun的結構進行了分析,對耦合線提出了一種2П等效電路模型,并構建了一種新型Marchand Balun模型；該等效電路模型的參數(shù)無需擬合,完全基于解析公式獲得,并與SPICE標準電路仿真程序相兼容,可以快速方便地應用于MarchandBalun仿真,縮短了設計周期。首次提出并分析了內(nèi)部互連線對Marchand Balun的性能影響,推導了帶互連線的Marchand Balun端口網(wǎng)絡S參數(shù),得到了Marc

5、hand Balun的平衡度隨互連線長度變化的一般規(guī)律。并基于0.15μm GaAs PHEMT工藝設計了帶有互連線的Marchand Balun,
　　 通過測試驗證了所提出的模型和理論分析的正確性。
　　 (3)基于0.15μm GaAs PHEMT工藝對Ka波段無源雙平衡混頻器進行了設計與研究。首先對混頻器的核心元件二極管進行了分析,得到了在帶內(nèi)最優(yōu)本振驅動功率和二極管參數(shù)。然后對混頻器的射頻(RF)輸入端的Bal

6、un提出了一種改進措施--在Balun的輸出端使用了開路短截線,補償了Balun輸出端的不平衡,有效地減小了混頻器的變頻損耗。另外對混頻器的本振(LO)輸入Balun進行了改進,使用三線耦合結構替代Marchan Balun中的二線耦合結構,降低了Balun的損耗。同時對混頻器的關鍵部分進行了電磁場仿真分析,使用電路與電磁場協(xié)同仿真的方法優(yōu)化了版圖設計。變頻損耗的測試結果與仿真結果吻合較好。測試的變頻損耗小于8dB,本振到射頻端口的隔離

7、度小于-26 dB,本振到中頻端口的隔離度小于-25 dB。
　　 (4)基于0.15μm GaAs PHEMT工藝對Ka,波段IQ混頻器進行了設計與研究。對構成IQ混頻器的90°定向耦合器和-3dB功分器分別進行了分析和設計,采用對稱布局的方法設計版圖有效的改善了鏡像抑制,并使用電磁場與電路協(xié)同仿真對其版圖進行了優(yōu)化。該IQ混頻器以雙平衡混頻器為核心,中頻輸出為DC～6GHz,測試的變頻損耗小于9dB,鏡像抑制比大于20dB。

8、另外對混頻器端口隔離度的仿真結果進行了分析,并找出了導致其誤差的主要因為。
　　 (5)基于0.13μm SiGe BiCMOS工藝對毫米波低噪聲放大器進行了設計與研究。根據(jù)晶體管等效電路模型提出了一種適用于毫米波的LNA結構,該結構使用級間電感匹配的方式可以有效地改善增益和降低噪聲,并根據(jù)管子的特性省去了發(fā)射級電感,縮小了尺寸。分析并設計了低噪聲放大器的輸入和輸出匹配網(wǎng)絡,在匹配網(wǎng)絡中使用共面波導傳輸線電感取代了普通電感,有效

9、改善了電感的Q值,并結合電磁場仿真優(yōu)化了電感版圖。該低噪聲放大器的工作頻率為40GHz,測試的輸入回波損耗小于-15 dB,輸出回波損耗為-14.6 dB,增益為8.6 dB。測試結果與仿真結果吻合很好,既驗證了所提出結構在毫米波低噪聲放大器設計中的可行性,同時也間接驗證了共面波導傳輸線電感設計的正確性。
　　 (6)總結了在毫米波頻段下無源混頻器設計的一般規(guī)律。歸納了毫米波低噪聲放大器設計中需要注意的一些問題,并給出了相應的解

10、決措施供參考。這些方法和經(jīng)驗同樣可以推廣至其它微波/毫米波集成電路的設計。
　　 論文以當前最先進的0.15μm GaAs PHEMT工藝和0.13μm SiGe BiCMOS工藝為背景,從微波耦合線理論出發(fā),對Marchand類型的Balun進行了詳細分析并建立了模型,設計了兩種不同類型的Ka波段混頻器和一種毫米波低噪聲放大器。論文在對Marchand Balun、混頻器及低噪聲放大器的研究中所做的具有創(chuàng)新性的工作,對于毫米波