硅基CMOS毫米波开关混频器的研究与设计

摘要

随着无线通信技术的发展和普及，无线通信的应用已经遍布各个领域。但人们对传输速率的需求不断提升，传统的无线通信频段（5GHz以下）已经相当拥挤，而且较窄的相对带宽，决定了低频射频很难用来开发超高速无线通信。这催促人们向更广的电磁波频段进行探索。毫米波通信利用毫米波频段蕴涵的丰富频谱资源来实现超高速无线通信，成为时下研究热点之一。另外，毫米波在雷达、成像、医疗、天文、安检等领域都有着广泛的应用前景。同时，硅基CMOS工艺技术的日趋成熟，为能大幅降低成本取代III-V族工艺的毫米波器件提供了可能。因此，设计出高性能的硅基CMOS毫米波电路有着十分重大的探索意义和实际意义。
　　作为毫米波收发系统，实现基本的通讯功能需要将基带信号调制到射频载波信号发射出去或接收到并解调。而混频器正是毫米波收发机用来调制解调的重要模块，它处在接收机靠前的位置决定其噪声对系统有较大影响，其转换增益能抑制后级噪声并提供增益，其线性度可能限制整机的动态范围。本文对硅基CMOS毫米波混频器设计方法进行了系统的研究并给出一种基于45GHz的高性能CMOS开关混频器的设计方案。
　　首先，本文对CMOS毫米波混频器基本原理、性能指标、混频器分类以及片上无源器件进行了详尽分析，进而对目前主流的硅基CMOS开关混频器结构进行了介绍和分析。在必要的推导后，本文总结了提高开关混频器性能的方法以及各性能参数之间的制约关系，为有源平衡式开关混频器的设计提供了有效的指导。
　　然后，文章对毫米波片上变压器巴伦建模和设计方法进行了总结。分析了利用变压器巴伦进行阻抗变换并做输入匹配时需要注意的规则。对匹配过程中金丝的影响进行了去嵌入研究，并提出了由于电路客观原因制约而无法完美匹配时的最佳折衷方法。为在混频器中遇到的常见匹配问题提供了一种有效的解决途径。
　　最后，基于台积电的90nm硅基CMOS工艺，运用电流注入、电感内匹配、以及跨导放大器等技术，设计了一款工作于45GHz的双平衡开关混频器。在1.2V驱动电压下实现了转换增益10.5~13.5dB,噪声系数8.6~9.2dB，输入1dB压缩点-12.5dBm，功耗9.5mW。该设计为45GHz接收机系统提供频率变换并表现出优秀的性能指标。

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第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 国内外研究历史与现状

1.3 本文的主要工作与贡献

1.4 本论文的结构安排

第二章 CMOS毫米波混频器设计基础

2.1 混频器基本原理

2.2 混频器的分类

2.3 片上无源器件

2.4 本章小结

第三章 CMOS双平衡开关混频器的结构

3.1 Gilbert混频器分析

3.2 增加电流源的有源混频器结构

3.3 降低闪烁噪声的混频器结构

3.4 本章小结

第四章 毫米波片上变压器巴伦的匹配分析与设计

4.1 阻抗匹配分析

4.2 混频器中阻抗匹配的必要性实例

4.3 毫米波片上变压器巴伦的设计与匹配折衷分析

4.4 金丝对匹配的影响仿真

4.5 本章小结

第五章 混频器电路设计

5.1 混频器电路设计指标

5.2 电路结构设计

5.3元件参数的确定及原理图仿真

5.4 版图设计与后仿及变压器巴伦设计

5.5 测试与结果

5.6 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果