硅基微波毫米波放大器集成电路研究

摘要

随着移动互联网的飞速发展，人们对通信速率的要求日益增长。为了实现更高的通信速率，研究者们对硅基微波毫米波电路进行了大量深入的研究。功率放大器和低噪声放大器作为无线收发系统的核心模块，直接决定着整个系统的通信距离和数据率等关键性能指标。本文主要对硅基微波毫米波功率放大器和低噪声放大器开展了深入研究。 本文的主要研究工作如下： 1.硅基毫米波功率放大器研究。分析了现有变压器功率合成技术的优缺点，提出了一种端口阻抗全平衡的变压器合成网络。该合成网络的端口阻抗不平衡性小于<8%，从而改善了多路功率放大器的合成效率。基于该合成结构设计了45GHz和60GHz功率放大器。放大器采用90nm CMOS工艺制造，45GHz放大器实现了21dBm的最大输出功率和14.5%的漏极附加效率。60GHz放大器实现了21dBm的最大输出功率和13.4%的漏极附加效率。 2.硅基微波毫米波低噪声放大器研究。分析了数种放大器结构的优缺点，基于分析选择交叉电容结构设计了一款Ku波段放大器。为了减小芯片面积，设计了基于矩形电感和变压器的匹配网络，使得放大器核心面积减小了几乎一半。为了提高180nm CMOS晶体管在24GHz时的增益，提出了用于共源共栅放大器的增强型中和电容技术。该放大器实现了19.3dB的最大增益。在此基础上，进一步研究了面向5G通信应用的38GHz低噪声放大器。该放大器综合利用了基于变压器的跨导提高技术、中和电容技术以及变压器反馈技术来同时改善电路功耗、增益以及噪声性能。该放大器实现了31dB的增益和3.9dB的噪声系数。进一步地，通过将该放大器与低相位误差的衰减器联合设计，从而实现了一款基于65nm CMOS工艺的可变增益放大器，其增益为21dB，增益调节范围为0-31dB。 3.基于之前的低噪声放大器研究，研究设计了一款针对相控阵雷达的单通道接收前端芯片。该接收前端系统由三个Ku波段放大器、一个无源衰减器和一个无源移相器组成。应用变压器和相位抵消电容分别减小了系统芯片面积和衰减附加相移。该系统实现了21dB的最大增益和6.7dB的最小噪声。

目录

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第一章 绪论

1.1 硅基微波毫米波无线通信前端集成电路研究的背景和意义

1.1.1 硅基微波毫米波功率放大器的研究背景和意义

1.1.2 硅基微波毫米波低噪声放大器的研究背景和意义

1.2 硅基微波毫米波放大器集成电路国内外研究现状

1.2.1 硅基微波毫米波功率放大器国内外发展动态

1.2.2 硅基微波毫米波低噪声放大器国内外发展动态

1.3 本文的主要贡献与创新

1.4 本文的结构安排

第二章 硅基毫米波功率放大器研究

2.1 现有微波毫米波功率放大器研究

2.1.1 高输出功率放大器

2.1.2 变压器合成技术研究

2.2 提出的变压器合成网络设计

2.3 放大器设计

2.4 测试结果

2.5 本章小结

第三章 硅基微波毫米波低噪声放大器研究

3.1 噪声匹配的基本原理

3.2 微波毫米波低噪声放大器技术介绍与分析

3.2.1 基于交叉电容的共栅级放大器

3.2.2 基于电感的共源级和共源共栅级放大器

3.2.3 基于变压器的低噪声放大器结构

3.3 应用于Ku波段相控阵的低噪声放大器研究

3.3.1 系统背景

3.3.2 晶体管的选取

3.3.3 放大器的设计

3.3.4 放大器的测试与结果

3.4 应用于汽车雷达的24GHz低噪声放大器研究

3.4.1 系统背景

3.4.2 增强型中和结构

3.4.3 放大器电路设计

3.4.4 放大器的测试与结果

3.5 应用于5G通信的38GHz低噪声放大器研究

3.5.1 系统背景

3.5.2 放大器结构选择

3.5.3 放大器电路设计

3.5.4 放大器的测试与结果

3.6 本章小结

第四章 硅基微波相控阵接收前端研究

4.1 接收前端链路分析

4.2 电路模块设计

4.2.1 低噪声放大器

4.2.2 衰减器

4.2.3 移相器

4.3 测试与结果

4.4 本章小结

第五章 全文总结和展望

5.1 全文总结

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果