应用于超宽带毫米波频率源的24-40GHz二分频器设计

摘要

频率合成器是射频收发机的重要组成部件，其作用是为收发机提供高稳定度、低相位噪声、有足够驱动能力的本地振荡信号。在基于电荷泵锁相环的毫米波频率合成器中，由于可编程分频器的工作频率受限，系统通常使用固定分频比的分频器（比如，二分频）将压控振荡器的输出信号进行分频后再做进一步处理。 本文简要论述了电荷泵频率合成器的结构、线性化模型及噪声模型，确定了分频器对环路噪声性能的影响。在此基础上，总结和比较了目前在毫米波频段广泛采用的注入锁定式、再生式、数字式分频器的原理、结构以及性能优劣。由系统对分频器的指标要求可知，宽工作温度范围、宽频率范围与低相位噪声特性是主要的设计目标。在结合文献调研的基础上，最终确定了以高工作频率、大带宽、低相位噪声为特点的再生式分频器作为主要研究方向。在保证电路良好的高频性能的前提下，本文对传统再生式分频器的电路结构做了一定的简化与改进：为了尽量减小芯片面积，去除了跨阻放大器和峰化电感；为了达到良好的低频性能，混频器负载节点并联电容。本文对吉尔伯特双平衡混频器的传输特性以及频率响应特性进行了详细分析，并在0.13μm SiGe BiCMOS工艺下完成了一款再生式二分频电路的设计、前仿真、版图设计、后仿真、电磁场混合后仿真以及测试方案的制定。电磁场混合后仿真结果如下：在仿真结果最差条件（SS工艺角，125℃）下，分频范围为20~50GHz，相位噪声性能为-125.0dBc/Hz@1kHz、-142.7dBc/Hz@1MHz，工作电流为43.7mA。电磁场混合仿真结果表明，该设计满足指标要求，并保留了一定的设计余量。 本文设计的宽带高速二分频器电路已应用于超宽带毫米波频率源芯片中。

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