毫米波單片集成混頻器的設(shè)計(jì)及其小型化.pdf

1、由Edholm定律推斷:在2020年，無(wú)線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率將會(huì)達(dá)到10 Gbps左右甚至更高，可以實(shí)現(xiàn)大容量、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮撩撞o(wú)線通信系統(tǒng)成為研究熱點(diǎn)?；祛l器是無(wú)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(duì)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(shí)現(xiàn)，混頻器可能會(huì)成為接收機(jī)的第一級(jí)或發(fā)射機(jī)的最后一級(jí)，其轉(zhuǎn)換增益、噪聲等性能指標(biāo)與系統(tǒng)性能息息相關(guān)。目前針對(duì)60GHz以下頻段已將有許多方法和拓?fù)?/p>

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(biāo)，但是也引入了許多其他的問題，如芯片面積增大等;同時(shí)，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(duì)毫米波頻段片上無(wú)源器件模型不準(zhǔn)的問題，對(duì)高頻建模方法開展深入研究。論文分析了影響片上無(wú)源器件高頻性能的各種寄生效應(yīng)和損耗機(jī)制，對(duì)常用的建模方法進(jìn)行歸納、總結(jié)，并結(jié)合片上無(wú)源器件的特點(diǎn)，分別采用三維電磁場(chǎng)仿真工具HFSS和Momentu

3、m進(jìn)行電磁場(chǎng)全波仿真建模，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行修正。由測(cè)試和仿真建模結(jié)果對(duì)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(wú)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(jì)方法，還采用螺旋式結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減小Marchand巴倫的尺寸;此外，還通過(guò)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jìn)型準(zhǔn)集總拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的V波段次諧波混頻器已流片驗(yàn)證;測(cè)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(bào)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(jì)方法的問題，采用四分之一波長(zhǎng)開路枝節(jié)和二分之一波長(zhǎng)短路枝節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)本振和射頻信號(hào)的回收，設(shè)計(jì)了一款傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的次諧波混頻器。由測(cè)試和仿真結(jié)果對(duì)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(bào)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(biāo)。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(jìn)型非對(duì)稱三耦合線加載射頻和本振信號(hào)，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(cè)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(bào)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(hào)共用同一個(gè)匹配電路的問題，研究了不同偏置電壓和本振信號(hào)驅(qū)動(dòng)下FET大信號(hào)的阻抗變化趨勢(shì)，完成了一款阻/漏雙模的無(wú)源基波混頻器。測(cè)試結(jié)果表明，工作在阻性狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)換增益的最大值為-8.0 dB;工作在漏極狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)換增益的最大值為-4.4dB。與目前所報(bào)道的基于化合物工藝的同頻段電路相比，該電