硅基毫米波亞毫米波頻率源及相關(guān)集成電路的研究.pdf

1、近年來，采用硅基半導(dǎo)體工藝探索毫米波頻段上的應(yīng)用正逐漸成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。毫米波頻率源是硅基毫米波集成電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)，而目前國(guó)內(nèi)有關(guān)40 GHz以上硅基毫米波頻率源的研究報(bào)道很少。本文針對(duì)我國(guó)近幾年推動(dòng)的毫米波超高速無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)Q-LINKPAN/IEEE802.11 aj(45 GHz)，在Q波段毫米波鎖相環(huán)頻率源芯片以及亞毫米波頻段壓控振蕩器芯片等方面，開展了比較系統(tǒng)深入的研究工作。論文的主要內(nèi)容如下:
　　第

2、一章針對(duì)Q波段硅基毫米波頻率源中的一些毫米波前端電路單元進(jìn)行了分析，包括Q波段壓控振蕩器、Q波段注入鎖定式二分頻器等。在所設(shè)計(jì)的壓控振蕩器和注入鎖定分頻器中采用了共質(zhì)心對(duì)稱的交叉耦合對(duì)管版圖結(jié)構(gòu)，使交叉耦合對(duì)管的版圖更加緊湊，減小了柵漏極連接線引入的交疊電容，以及寄生電容對(duì)電路工作頻率范圍的影響。基于90 nm CMOS工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合度較好。測(cè)試結(jié)果顯示，本章所設(shè)計(jì)的Q波段壓控振蕩器具有較寬的調(diào)諧范圍(40.

3、7-49.9 GHz，20.3％)，所設(shè)計(jì)的注入鎖定分頻器具有較寬的輸入鎖定分頻范圍(34-50 GHz，38％)。將所設(shè)計(jì)的壓控振蕩器應(yīng)用到一個(gè)Q波段開-關(guān)鍵控(On-off Keying: OOK)收發(fā)信機(jī)芯片中，實(shí)現(xiàn)了5.5 Gbps的無(wú)線傳輸速率。本章中有關(guān)壓控振蕩器的研究成果已發(fā)表在國(guó)際期刊IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques(vol.62，no.9，2014)

4、上，有關(guān)注入鎖定分頻器的研究成果已在國(guó)際會(huì)議IEEE MTT-S International Wireless Symposium2013上發(fā)表。
　　第二章研究了Q波段毫米波鎖相環(huán)頻率源的設(shè)計(jì)，包括Q波段鎖相環(huán)中需要用到的其它分頻鏈路以及鑒頻鑒相器、電荷泵等模數(shù)混合電路的設(shè)計(jì)，采用90 nm CMOS工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過采用電流模式邏輯（Current Mode Logic: CML）D觸發(fā)器，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了工作在20 GHz附

5、近和10 GHz附近的分頻范圍較寬的靜態(tài)分頻器。實(shí)驗(yàn)測(cè)得所設(shè)計(jì)的20 GHz靜態(tài)分頻器的輸入分頻范圍達(dá)到9.5 GHz(47.6％)，所設(shè)計(jì)的10 GHz靜態(tài)分頻器的輸入分頻范圍達(dá)到5.6 GHz(50.5％)。通過采用動(dòng)態(tài)邏輯D觸發(fā)器，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了工作在5 GHz附近的動(dòng)態(tài)數(shù)字分頻器。通過級(jí)聯(lián)二分頻/三分頻單元，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了工作在5 GHz附近的數(shù)字可編程分頻器。在電荷泵的設(shè)計(jì)中應(yīng)用了增益提升單元以提高電流鏡中晶體管的輸出阻抗，減少溝道長(zhǎng)

6、度調(diào)制效應(yīng)，進(jìn)而提高了電荷泵中充放電電流的匹配程度。最后基于90 nm CMOS工藝制作了Q波段全集成鎖相環(huán)芯片，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該鎖相環(huán)芯片能夠在Q波段頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)正常鎖定。
　　第三章主要針對(duì)Q波段毫米波頻率源功率分配和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)相關(guān)集成電路進(jìn)行了研究。采用集總元件等效電路，縮小了多路功率分配器的版圖面積，完成了Q波段小型化八路功率分配器的設(shè)計(jì)。通過采用電感、電容的簡(jiǎn)化等效電路模型進(jìn)行理論分析和模型仿真，研究了電路中各個(gè)元件的寄生

7、參數(shù)變化對(duì)功率分配器插入損耗的影響。基于90 nmCMOS工藝制作了該八路功率分配器的芯片，實(shí)驗(yàn)測(cè)得在37-49 GHz的頻率范圍內(nèi)，該八路功率分配器的插入損耗在2.7 dB以內(nèi)。該研究成果已發(fā)表在國(guó)際核心期刊IEEEMicrowave and Wireless Components Letters(vol.24，no.3，2014)上。為了補(bǔ)償功率分配網(wǎng)絡(luò)中無(wú)源器件引入的損耗，設(shè)計(jì)了工作在Q波段的毫米波放大器。針對(duì)毫米波共源結(jié)構(gòu)放大器

8、反向隔離度不理想的問題，提出了一種新型的使用任意耦合系數(shù)變壓器反饋網(wǎng)絡(luò)的放大器單向化技術(shù)。通過在晶體管的柵極和漏極之間引入電壓-電流變壓器反饋網(wǎng)絡(luò)，改善了共源結(jié)構(gòu)毫米波放大器的反向隔離度?；?0 nm CMOS工藝，給出了理論分析、仿真對(duì)比和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文提出的電壓-電流反饋?zhàn)儔浩鲉蜗蚧W(wǎng)絡(luò)后，在41-48 GHz的頻率范圍內(nèi)該Q波段毫米波放大器的反向隔離度達(dá)到40 dB以上。該研究成果已發(fā)表在國(guó)際核心期刊IEEE

9、Transactions on Microwave Theory andTechniques(vol.61,no.11,2013)上。
　　第四章主要研究了硅基亞毫米波行波式壓控振蕩器。針對(duì)亞毫米波頻段傳統(tǒng)的集總電感、電容等器件不易設(shè)計(jì)和使用的問題，研究設(shè)計(jì)了采用行波-分布式結(jié)構(gòu)的壓控振蕩器。使用基片集成同軸線作為主傳輸線，加載多個(gè)晶體管構(gòu)成了行波式振蕩器結(jié)構(gòu)。利用基片集成同軸線外導(dǎo)體接地的特點(diǎn)，避免了信號(hào)線之間的耦合。采用三維垂