微波/毫米波单片集成收发机中关键电路的设计及其小型化

摘要

本论文的研究方向为基于硅基及砷化镓基微波/毫米波收发系统中单片集成电路的设计及小型化。
　　 随着无线通信技术的发展，传统的射频频带资源已经接近饱和。由于微波/毫米波频段可以提供更为丰富的频率资源，实现更高速度的数据传输，近年来，无线通信技术已经开始向微波/毫米波频段拓展。微波单片集成电路做为微波/毫米波系统的重要实现方式及组成部分，一直以来都是科研及产业界关注的热点。在集成电路的实现中，芯片的面积决定了其生产成本，同时对成品率及系统集成有重要的影响。射频，微波集成电路所占面积大，并且主要组成部分为无源部分，一般无法通过工艺进步直接减小芯片面积。在本论文中，围绕微波/毫米波单片集成电路的小型化这一研究方向，从电路架构、无源器件等方面实现关键电路的小型化，为微波，毫米波集成系统的小型化、低成本应用提供参考。
　　 在本论文中，首先介绍了微波/毫米波频率的背景及研究趋势。在第二章中，讨论了基于硅基工艺设计实现的工作于24-GHz无线收发系统中关键电路的设计。在分析硅基微波/毫米波集成电路的研究背景及应用前景之后，采用CMOS工艺设计实现了包括低噪声放大器、混频器、压控振荡器在内射频前端模块。并结合电路特点，分别提出了小型化低噪声放大器、小型化单平衡混频器、小型化行波振荡器的设计方法。并均流片验证，仿真结果与测试结果相对比表明，本文所提出的方法，在电路性能相比拟的情况下，面积达到了已有报道成果的最小。
　　 在第三章中，基于砷化镓工艺设计实现高性能7～14-GHz无线收发系统的关键电路。完成了包括低噪声放大器、镜像抑制混频器及驱动放大器的设计。同时，对电路模块中最占面积的镜像抑制混频器进行设计和优化，采用螺旋耦合的方式缩小镜像抑制混频器中片上巴伦及定向耦合器的尺寸，达到小型化的设计。低噪声放大器的测试结果显示，本设计的测试结果与仿真结果相吻合，验证了设计的正确性，并且在综合性能上达到了采用相同工艺实现电路的最佳。
　　 在第四章中，设计实现了工作于60-GHz接收前端的关键电路。完成包括低噪声放大器及混频器的设计。在混频器的设计中，设计采用次谐波的方式实现混频，解决了高频本振信号无法取得的问题。并且利用半集总的方式实现混频器中滤波器的设计，减小芯片面积。电路的测试结果验证了设计的正确性。
　　 论文最后给出了对于之前工作的总结，并对未来微波/毫米波集成电路的发展和应用进行了展望。