毫米波單片集成混頻器的設(shè)計及其小型化.pdf

1、由Edholm定律推斷:在2020年，無線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率將會達到10 Gbps左右甚至更高，可以實現(xiàn)大容量、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮撩撞o線通信系統(tǒng)成為研究熱點。混頻器是無線通信系統(tǒng)收發(fā)前端的關(guān)鍵電路模塊之一，特別是對于100 GHz以上的頻段，商用的低噪聲放大器或者功率放大器極其昂貴或難以實現(xiàn)，混頻器可能會成為接收機的第一級或發(fā)射機的最后一級，其轉(zhuǎn)換增益、噪聲等性能指標與系統(tǒng)性能息息相關(guān)。目前針對60GHz以下頻段已將有許多方法和拓撲

2、結(jié)構(gòu)用于改善混頻器的轉(zhuǎn)換增益、3dB帶寬等性能指標，但是也引入了許多其他的問題，如芯片面積增大等;同時，100 GHz頻段混頻器多采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其所占芯片面積也比較大。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴針對毫米波頻段片上無源器件模型不準的問題，對高頻建模方法開展深入研究。論文分析了影響片上無源器件高頻性能的各種寄生效應(yīng)和損耗機制，對常用的建模方法進行歸納、總結(jié)，并結(jié)合片上無源器件的特點，分別采用三維電磁場仿真工具HFSS和Momentu

3、m進行電磁場全波仿真建模，并根據(jù)測試結(jié)果對模型參數(shù)進行修正。由測試和仿真建模結(jié)果對比可知，在0.1 GHz到220 GHz頻段內(nèi)，所建立的仿真模型可以有效地表征傳輸線等片上無源器件的頻率特性。⑵為了降低V波段單片集成次諧波混頻器電路制造成本、拓展工作帶寬，提出了兩種不同的基于集總元件的小型化設(shè)計方法，還采用螺旋式結(jié)構(gòu)進一步減小Marchand巴倫的尺寸;此外，還通過電路的優(yōu)化設(shè)計，改善耦合器和巴倫的輸出不平衡度，有效的拓展了混頻器的工作

4、帶寬。其中，采用改進型準集總拓撲結(jié)構(gòu)的V波段次諧波混頻器已流片驗證;測試結(jié)果表明:轉(zhuǎn)換增益為-13.5±1.5 dB，3dB帶寬為20 GHz。該方法可以在沒有犧牲轉(zhuǎn)換增益、帶寬等性能的前提下，減小芯片面積;該電路在已有的基于化合物工藝的同類型報道中面積最小。⑶為了解決D波段單片集成混頻器電路的設(shè)計方法的問題，采用四分之一波長開路枝節(jié)和二分之一波長短路枝節(jié)實現(xiàn)對本振和射頻信號的回收，設(shè)計了一款傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的次諧波混頻器。由測試和仿真結(jié)果對比

5、可知，在110 GHz到145 GHz的頻段內(nèi)，轉(zhuǎn)換增益為-17±3dB，兩者具有良好的一致性;與目前所報道的D波段次諧波混頻器相比，該電路還具有突出的綜合性能指標。⑷為了解決串聯(lián)或并聯(lián)集總元件減小芯片面積的方法在高頻不再適用的問題，提出一種改進型非對稱三耦合線加載射頻和本振信號，完成了一款面積更加緊湊的D波段次諧波混頻器。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，面積減小了30％，節(jié)省了制造成本。測試結(jié)果表明，轉(zhuǎn)換增益最大值為-13.9 dB，3dB帶寬為32

6、GHz。在轉(zhuǎn)換增益等性能均可比擬的前提下，該電路是目前所報道的基于化合物工藝的面積最小的D波段次諧波混頻器。⑸為了解決不同類型的混頻器射頻、本振信號共用同一個匹配電路的問題，研究了不同偏置電壓和本振信號驅(qū)動下FET大信號的阻抗變化趨勢，完成了一款阻/漏雙模的無源基波混頻器。測試結(jié)果表明，工作在阻性狀態(tài)時，轉(zhuǎn)換增益的最大值為-8.0 dB;工作在漏極狀態(tài)時，轉(zhuǎn)換增益的最大值為-4.4dB。與目前所報道的基于化合物工藝的同頻段電路相比，該電