毫米波放大器研究與設(shè)計.pdf

1、最近幾年,毫米波頻段越來越多的應(yīng)用于通信系統(tǒng)中,當前的無線接入方式已經(jīng)不能滿足日益增長的對傳輸速率的要求。毫米波技術(shù)以其短波長、大帶寬、超高速數(shù)據(jù)傳輸能力的特點,成為大數(shù)據(jù)無線通信的發(fā)展方向,受到學術(shù)界和工業(yè)界的普遍關(guān)注。而微電子技術(shù)的不斷發(fā)展,為實現(xiàn)小體積、高集成和低成本的集成電路提供了工藝基礎(chǔ)。高電子遷移率晶體管(HEMT)及異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管(HBT)已被廣泛應(yīng)用于毫米波集成電路領(lǐng)域。無線通信系統(tǒng)離不開收發(fā)前端電路,低噪聲放大器作

2、為接收機前端的第一個模塊電路,它的主要作用是對接收到的信號進行放大,同時抑制信號中攜帶的噪聲,提高整個接收機的靈敏度,它的噪聲、增益、回波損耗和功耗等指標將直接影響整個接收機系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。功率放大器作為發(fā)射機最重要的模塊電路之一,它的主要作用是將射頻信號進行功率放大,使信號有更遠的傳輸距離,它的輸出功率、增益、效率等性能對整個發(fā)射機系統(tǒng)有重要影響。本文的主要工作包括低噪聲放大器設(shè)計和功率放大器設(shè)計。
　　論文首先介紹了毫米波低噪

3、聲放大器的基礎(chǔ)理論,包括噪聲的來源、定義及測試,經(jīng)典二端口噪聲網(wǎng)絡(luò)及多級級聯(lián)噪聲網(wǎng)絡(luò),低噪聲放大器的性能指標,著重分析對比了低噪聲放大器的幾種典型結(jié)構(gòu),以此為基礎(chǔ),基于0.07μm GaAs mHEMT工藝,設(shè)計了V波段低噪聲放大器,該低噪聲放大器采用4級共源級聯(lián)結(jié)構(gòu),微帶線匹配及互聯(lián),流片回來的測試結(jié)果顯示:在53GHz~67GHz頻段范圍內(nèi),小信號增益大于30dB,輸入、輸出反射系數(shù)小于-5dB,輸出1dB增益壓縮點功率在60GHz

4、時為4dBm,噪聲系數(shù)小于3dB(仿真結(jié)果),該性能在目前國內(nèi)外所報道的文獻中處于領(lǐng)先水平。
　　然后對流片回來的有源及無源結(jié)構(gòu)進行了測試,測試頻率達到325GHz,根據(jù)無源結(jié)構(gòu)的測試數(shù)據(jù),對比驗證了電磁場仿真的準確性。根據(jù)測試數(shù)據(jù),對有源、無源器件進行建模并以此為基礎(chǔ)設(shè)計了D波段低噪聲放大器,該放大器采用3級共源級聯(lián)結(jié)構(gòu),CPW匹配及互聯(lián),仿真結(jié)果顯示:在135~145GHz頻段內(nèi),小信號增益大于19dB,輸入、輸出反射系數(shù)小于

5、-6dB,噪聲系數(shù)NF小于7.5dB,電路在全頻段絕對穩(wěn)定,已流片。
　　緊接著介紹了功率放大器的基礎(chǔ)理論,包括 loadpull技術(shù)及功率放大器的性能指標,結(jié)合該部分理論,基于0.07μm GaAs mHEMT工藝,設(shè)計了60GHz單級功率放大器,該放大器采用共源結(jié)構(gòu),微帶線匹配及互聯(lián),測試了放大器的小信號特性,測試結(jié)果顯示:在60GHz時,小信號增益為4.4dB,輸入反射系數(shù)小于-8dB,輸出反射系數(shù)小于-8dB,仿真的輸出1

6、dB增益壓縮點功率為12dBm,功率附加效率為27％。
　　最后基于InP DHBT工藝,設(shè)計了兩個60GHz單級功率放大器,第一個功率放大器采用共射結(jié)構(gòu),偏置直接通過RF通路提供給晶體管,CPW匹配及互聯(lián),仿真結(jié)果顯示:在60GHz時,小信號增益為6.8dB,輸入反射系數(shù)小于-10dB,輸出反射系數(shù)小于-10dB,輸出1dB增益壓縮點功率為7.3dBm,功率附加效率為10.6%。第二個功率放大器采用共射結(jié)構(gòu),偏置通過片上提供給晶

7、體管,CPW匹配及互聯(lián),仿真結(jié)果顯示:在60GHz時,小信號增益為5.6dB,輸入反射系數(shù)小于-11dB,輸出反射系數(shù)小于-7.5dB,仿真的輸出1dB增益壓縮點功率為6.6dBm,功率附加效率為8.9%,均已流片。
　　本文對于毫米波低噪聲放大器及功率放大器的設(shè)計方法作了較為全面的分析總結(jié),基于0.07μm GaAs mHEMT工藝設(shè)計了V波段低噪聲放大器、D波段低噪聲放大器和60GHz單級功率放大器,基于InP DHBT工藝設(shè)