终端射频芯片关键技术暨负群延时电路研究

摘要

随着通信技术的不断进步，通信设备中对于终端射频电路集成度的要求也愈发严格，传统的混合集成方式已经难以满足当代系统小型化、高性能的需求。在这样的背景下，单片集成电路由于其元件密度高、性能稳定、易于大规模生产等优势已经成为了近年来研究的热点。实现拥有全面自主知识产权的终端射频芯片对促进通信领域发展，提升我国集成电路产业的创新能力和国际竞争力具有极其重要的现实意义。同时，在通信领域中，人们已经认识到对于具有一定带宽的射频信号而言，电路的正群延时效应难以避免地会引起色散现象，而负群延时(Negative Group Delay, NGD)电路则可以有效地消除这一缺陷进而优化信号完整性、降低误码率、改善通信质量。在学术领域，一个NGD电路可以被认为具有群速度超越光速的特性，这极大程度地加深了人们对于群速度的理解和认识。由此可见， NGD电路的研究具有非常重要的理论及现实意义。本文对终端射频芯片及 NGD电路进行了深入且系统地研究，并通过具体电路的不同需求，采取了不同的制造工艺对相关技术进行了验证。 主要研究内容归纳如下： 1.针对晶体管在大信号下的非线性效应导致传统射频发射机中有源混频器出现严重三阶交调的缺陷，根据晶体管的体效应及跨导函数模型等理论，提出了一种带有中频线性化跨导的Gilbert有源混频器结构。在中频信号电平转换的过程中，采用了源极退化电阻的方式将线性度较高的源级电压转化为电流形式以供给混频器进行上变频调制。在对电路的非线性效应进行分析的基础上，建立了跨导函数模型，提出通过使用具有深阱结构的晶体管可以将体效应消除的理论，该线性化跨导与偏置电压无关而仅与一固定电阻及晶体管尺寸比相关。该电路改善了中频信号过大时晶体管的非线性效应，确保在强中频信号模式下发射机拥有更佳的线性度。所提出的电路通过软件仿真进行验证并集成于一款支持卫星通信系统的射频发射机芯片中，该芯片包含了从数模转换器(DAC)至射频驱动放大器的整个发射链路。芯片的整体测试结果表明，该射频发射机可以在0 dBm的输出功率下获得优于-37 dBc的相邻通道抑制比(ACPR)及优于49 dB的本振抑制度。与其他同类型发射机相比，电路的增益动态范围提升了至少10 dB。 2.针对传统双平衡混频器尺寸过大、中频带宽较窄的缺陷，根据巴伦的等效电路模型，提出了一种尾电容巴伦无源混频器结构，该结构可以大幅减小电路尺寸并扩展混频器的中频带宽。通过集总参数建模及分析，归纳出了巴伦的等效电路模型并利用其频率响应函数推导出了尾电容可以降低工作频率和减小巴伦等效电感及线圈长度的理论。利用中频信号在巴伦中的共模传输特性，推导出了使用尾电容巴伦的混频器能够拥有更宽的中频带宽的结论，并使用仿真及实验测试验证了上述方法的正确性。通过使用GaAs工艺流片，实现了两款分别工作于2.5-8 GHz及6-18 GHz的具有超宽中频带宽的双平衡无源混频器，测试结果表明混频器的变频损耗均小于10 dB，中频带宽分别达到了3 GHz及8 GHz。与同频段的混频器相比，所研究的电路将芯片面积缩小至1/4，中频带宽扩展了300%以上。 3.针对一般NGD电路可调性较差、稳定性不高的问题，提出了在分布式放大器中利用阶跃阻抗传输线可以获得稳定NGD响应及可调衰减量的理论。在对分布式放大器的输入和反向输出端口的传输函数进行建模的基础上，定量推导出了电路的NGD时间与电压增益比的函数关系。通过计算放大器中每一阶晶体管的输入输出阻抗，得出了通过调节传输线的特性阻抗可以实现这一特定的电压增益比的结论，并通过仿真及测试验证了其正确性。通过电路加工，实现了一款群延时时间为-1 ns，时间波动小于0.2 ns的NGD电路。与其他NGD电路相比，该电路具有群延时时间稳定及可调增益的优良特性。 4.针对现有的Non-Foster电路均采用寄生参数较大的集总方式实现的问题，提出了基于分布式放大器的NGD电路可以实现等效Non-Foster串联负电容和T型匹配网络的理论。通过对理想串联负电容网络进行S参数分析，以NGD这一物理特性为联结纽带，总结出Non-Foster网络与NGD电路的综合方法，提出了阶跃阻抗式 NGD电路可以实现等效串联负电容及跨导调节式 NGD电路可以实现Non-Foster T型双端口匹配网络的方法，并利用软件仿真及实验测试验证了这一等效过程的正确性，最终实现了一款基于NGD电路的-2 pF等效串联负电容和一款由-1 pF并联电容及-1.25 nH串联电感组合而成的双端口T型匹配网络。负电容能够在1.4-1.55 GHz的频带内呈现出最大值为110的品质因数。与其他负电容方案相比，该方法是基于分布式电路实现的，因此更加适用于高频段应用。在1.35-1.45 GHz的工作频带内，T型匹配网络的等效元件值误差小于10%，电路的输入输出端口均能够呈现出优于20 dB的回波损耗特性。

目录

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第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究动态

1.3 文章的研究内容及章节安排

第二章 具有线性化跨导电路的CMOS射频发射机研究

2.1 引言

2.2 CMOS加工工艺简介

2.3 射频发射机简介

2.4 具有真单相位时钟(TSPC)的DAC设计

2.5 可调增益及带宽的BBF设计

2.6 具有线性化跨导的Gilbert混频器及驱动放大器研究

2.7 测试与总结

2.8 小结

第三章 带有尾电容巴伦的超宽中频带宽GaAs混频器研究

3.1 引言

3.2 GaAs加工工艺简介

3.3 混频器相关基础理论

3.4 巴伦变换器的分析及等效电路

3.5 带有尾电容的巴伦结构

3.6 电路特性仿真

3.7 测试结果

3.8 小结

第四章 NGD电路及其应用研究

4.1 引言

4.2 微波PCB加工工艺简介

4.3 NGD理论基础

4.4 基于阶跃式高低阻抗变换线DA结构的NGD电路

4.5 基于NGD电路的Non-Foster网络

4.6 小结

第五章 总结与展望

5.1 本文的主要创新点

5.2 未来的展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果