基于InP HBT的W波段VCO的研究与设计

摘要

随着电子信息技术的蓬勃发展，电子系统的工作频率不断提高，这大大刺激了毫米波电子设备的开发应用。对毫米波段集成电路的需求也日益增大，特别是W波段及以上频段的应用研究在当前信息化竞争中具有举足轻重的战略意义。要得到W波段的电磁波，最关键的点是要有能够产生W波段电磁波的频率产生源，压控振荡器（VCO）又是频率产生源最关键的部件。压控振荡器的性能对整个系统有着决定性的影响，尤其是调频范围和相位噪声。因此本课题的主要任务是设计出能够工作在 W波段且具有宽调谐范围、低相位噪声的压控振荡器。本文利用法国OMMIC公司的1.5-μm InP DHBT工艺库，成功设计了两款毫米波压控振荡器。
　　本研究主要内容包括：⑴根据负阻型振荡器的工作原理，尤其对压控振荡器的调谐方式和噪声做出了详细分析，基于Lesson和Hajimiri两种噪声模型，总结出降低相位噪声的方法。⑵基于耦合线结构的60GHz压控振荡器设计。交叉耦合结构的压控振荡器在超高频环境下存在寄生效应，影响压控振荡器的性能。针对传统交叉耦合结构存在的这些问题，提出理论分析依据及改进措施，采用了一款基于耦合线的新型电路结构。在ADS软件中VCO的原理图与电磁联合仿真结果表明本设计基于耦合线结构的 VCO在未使用变容管的情况下，频率调谐范围为53.99~64.1GHz，相位噪声为-102.2dBc/Hz@1MHz，版图面积为496×510μm2。与交叉耦合结构VCO仿真结果相比振荡频率和调谐范围均有提高。⑶基于耦合线结构的推推式W波段压控振荡器设计。从推推式VCO的设计原理出发，在已设计出的基于耦合线结构的压控振荡器的基础上，进行电路局部改进，设计出一款输出频率在W波段的推推式压控振荡器。最后在ADS软件中依次完成了该推推式VCO的原理图仿真、版图设计及原理图与电磁场联合仿真。后仿结果表明该基于耦合线结构的推推式压控振荡器可以成功实现推推功能，同样在未使用变容管的情况下，频率调谐范围为94.79~100.3GHz，相位噪声为-110.4dBc/Hz@1MHz，版图面积为460×510μm2。最后通过与近年来部分已发表的W波段的VCO的性能指标进行对比，本文设计的基于耦合线结构的推推式VCO在相位噪声方面具有绝对优势，且调谐范围较宽，成功实现了W波段宽调谐与低相噪的VCO设计目标。

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第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外发展现状

1.3论文结构安排

第二章 压控振荡器的设计理论

2.1振荡器两大模型

2.2压控振荡器简介及性能指标

2.3常见VCO电路拓扑结构

2.4本章小结

第三章 基于耦合线的InP DHBT VCO设计

3.1设计工具及工艺介绍

3.2传统交叉耦合VCO的电路分析

3.3基于耦合线的InP DHBT VCO设计

3.4原理仿真

3.5版图设计

3.6 VCO原理图与电磁场联合仿真

3.7本章小结

第四章 基于耦合线的推推式VCO设计

4.1推推式压控振荡器原理

4.2基于耦合线的推推式VCO结构

4.3推推式VCO的原理图仿真

4.4版图设计及原理图和电磁场联合仿真

4.5本章小结

第五章 总结与展望

5.1工作总结

5.2不足与展望

参考文献

致谢

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