DESIGN AND IMPLEMENTATION OF KEY BUILDING BLOCKS FOR A 60-GHz RECEIVER FRONT--END

摘要

载频为60GHz通信系统具有很宽的可用信号带宽，其数据速率可能超过Gbps。目前，世界不同地区常用的60GHz通信系统的载频范围为57～66GHz。高数据传输速率对于对于高速个域网或者实时视频传输系统等无线通信系统来讲非常关键。而且超高速数据传输对于未来不能预见、尚未物理实现的无线应用同样非常必要。60GHz通信系统在高速信号传输、系统的小型化和天线的高度指向性方面具有明显优势，然而同时也存在信号传播衰减问题。空气中的氧气分子对60GHz微波信号的衰减为10～15dB/km，此衰减也限制了60GHz通信系统的使用范围只能为短距离通信。尽管在短距离内(＜1km)仍然有大量的无线应用存在，比如高质量视频会议，高分辨率摄像传输、局域网文件传输等等。同时，60GHz存在的大气衰减也给频率复用、降低系统内部串扰提供了方面。
　　高性能的无线收发机对于实现60GHz通信系统来讲非常重要。而接收机的射频前端又是其中最重要的模块。本文着重于接收机射频前端模块电路设计的新方法、新技术，重点研究了这些新方法、新电路结构对于降低系统功耗、提高接收机增益和带宽的作用，并将研究结果与前人的工作进行了比较。本文基于采两次变频接收机架构和65nm CMOS工艺，研究了60GHz低噪声放大器、下变频器、正交混频器以及产生正交本振信号的全通滤波器的设计和测试。其中，除了60GHz低噪声放大器，其他电路模块均被集成于最终的接收机中，并构成了接收机的两次变频模块。相比与前人工作，上述电路模块在某些方面取得了性能上一定的突破。本文在给出了上述所有模块电路的测试结果之外，还展示了一款用于毫米波应用的慢波升高微带线，仿真结果表明该微带线性能明显优于传统微带线和共面波导。
　　用于60GHz的第四频段63.72～65.88GHz的低噪声放大器采用恒电流密度偏置方案，在负载级和中间级都采用了电感和基于共面波导的感性传输线。与其他已经发表的文章相比，此低噪声放大器取得了有竞争力的优值0.465GHz/mW，增益S21为12±1.44dB，输入输出匹配参数S11和S22都低于-10dB，反相隔离度S12＜-40dB，总的功率为16.2mW。
　　本文中的三个下混频器采用基于经典的吉尔伯特混频器的折叠式有源拓扑结构。第一个混频器（双平衡混频器），测试结果实现了9.8 dB的转换增益，双边带噪声系数11.6dB，1dB压缩点-13dBm。与最新的一些工作相比，此混频器的优值10.5dB具有很强的竞争力。后面的两个混频器采用多栅晶体管的方法增强线性度。多栅晶体管结构的混频器不仅实现了比传统折叠式混频器高12.8dB的三阶交调点，同时相比于其他已经发表的工作，也取得了最高的优值22.7dB，功率消耗只有1.2mW。
　　与其他最先进的混频器相比，本文中的带有集成分频器的正交解调器实现了最高的优值16.88dB。另一个首次采用差分正交全通滤波器的正交混频器也又具有有竞争力的测试结果，转换增益是7～8dB，单边带噪声系数11.3dB，IIP3为-8.75～-7.37dBm，功耗为7.2mW。
　　本文在给出了上述所有模块电路的测试结果之外，还展示了一款用于毫米波应用的慢波升高微带线，仿真结果表明该微带线性能明显优于传统微带线和共面波导。在50-Ω特征阻抗方面，本文提出的慢波升高微带线性能优于微带线和共面波导:和微带线相比，品质因数增加了3倍，和共面波导相比增加了2倍，同时相对于微带线和共面波导，衰减常数分别减少到了16％和26％。

目录

声明

Contents

摘要

Abstract

List of Abbreviations

List of Figures

List of Tables

Chapter 1 Introduction

1．1 Potential Applications of the 60-GHz Radio

1．2 Technology for Implementing 60-GHz Front-end

1．3 Signal Propagation Effects at 60 GHz

1．4 Choice between Single-carrier and Multicarrier for Reliable High Speed Transmission

1．5 Direct-conversion versus Dual-conversion Transceiver Architecture

1．6 Motivation and Task Formulation for this Work

1．7 Organization of this Dissertation

Chapter 2 Characteristics of Planar Transmission Lines and Analog Circuits-An overview

2．1 Planar Transmission Lines

2．1．1 Microstrip Line

2．1．2 Coplanar Waveguide

2．2 Gain Definitions

2．3 Noise

2．3．1 Types of Noise

2．3．2 Noise Factor

2．4 Input-Power Matching vs．Noise Matching

2．5 Non-linearity

2．6 LNA Design Basics

2．6．1 Common Source LNA

2．6．2 Common Gate LNA

2．6．3 Some Recent Works on MMW LNA

2．7 Mixer Fundamentais

2．7．1 Properties of Mixers

2．7．2 Types of Mixers

2．7．3 Recent Works on Mixer

2．8 Conclusions

Chapter 3 A High Performance Slow-Wave Elevated Microstrip Line with Slot-Type Floating Shields

3．1 Introduction

3．2 Slow-Wave Elevated Mierostrip Line

3．3 Simulation Results

3．4 Conclusions

Chapter 4 60 GHz-Band Low Noise Amplifier

4．1 65-nm LP-CMOS Technology

4．1．1 Millimeter-wave Transistor Performance

4．1．2 Millimeter-wave Passives

4．2 LNA Design and Measurement Results

4．3 Conclusions

Chapter 5 Folded Down-Conversion Mixers for a 60 GHz Dual-Conversion Receiver Architecture

5．1 Receiver Architecture with Emphasis on This Work

5．2 Double-Balanced Mixer

5．2．1 Folded Mixer Design

5．2．2 Conversion Gain and Linearity

5．2．3 Noise Figure

5．2．4 DC Offset

5．2．5 Transmission Lines

5．2．6 Measurement Results

5．3 Linearity Enhanced Single-Balanced Mixer

5．3．1 Linearity Enhancement by Multiple-Gated Transistors

5．3．2 Folded MGTR Based Single-Balanced Mixer

5．3．3 Measurement Results

5．4 Conclusions

Chapter 6 A Low Power，Low Noise Figure Quadrature Demodulator for a 60 GHz Receiver

6．1 Demodulator Architecture

6．1．1 Mixer Design

6．1．2 Frequency Divider

6．2 Measurement Results

6．3 Conclusions

Chapter 7 IQ Mixer with an Integrated Differential Quadrature All-Pass Filter for On-Chip Quadrature LO Signals Generation

7．1 Introduction

7．2 Quadrature Mixer Design

7．2．1 Folded Mixer

7．2．2 Difierential Quadrature All-Pass Filter

7．3 Measurement Results

7．4 Conclusions

Chapter 8 Conclusions

References

10．Publications

Acknowledgements