硅基毫米波倍頻器和功率放大器的研究.pdf

1、智能終端的普及和移動(dòng)數(shù)據(jù)的快速增長造成了全球性的頻譜不足，使得無線服務(wù)提供商面臨前所未有的挑戰(zhàn)。毫米波技術(shù)被認(rèn)為是不斷滿足消費(fèi)者對(duì)不斷增長的無線數(shù)據(jù)容量需求的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)，先進(jìn)的硅基工藝使得在毫米波波段實(shí)現(xiàn)收發(fā)機(jī)的全集成成為可能。100GHz以上的系統(tǒng)可以應(yīng)用在通信、遙感、毫米波成像以及行星輻射探測(cè)等領(lǐng)域，存在的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是缺少相對(duì)便宜的純凈的信號(hào)源。目前業(yè)界在高頻振蕩器上已經(jīng)開展了一些研究，但低頻振蕩器加倍頻器的方案因其具有較好的

2、頻率穩(wěn)定性和相位噪聲，仍是一種常用的方法。此外，功率放大器是僅剩的幾個(gè)未能成功實(shí)現(xiàn)集成的電路，它的功能是在信號(hào)發(fā)射到空氣中之前放大信號(hào)到所需的功率水平，由于硅基工藝特定的限制，設(shè)計(jì)高線性度和效率的功率放大器仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)性的工作。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴介紹了毫米波技術(shù)的特點(diǎn)和研究方法，總結(jié)了D波段功率放大器和倍頻器的技術(shù)指標(biāo)以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。介紹了硅基集成電路中的器件和功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)，并對(duì)提高功率放大器帶寬、增益、輸出功

3、率以及線性度和效率的方法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。同時(shí)，簡要介紹了倍頻器的主要技術(shù)指標(biāo)以及性能改善技術(shù)。⑵基于0.13 SiGe BiCMOS工藝完成了240GHz倍頻器的設(shè)計(jì)和仿真。240GHz的倍頻器由120GHz的功率放大器和240GHz的二倍頻器兩個(gè)子模塊構(gòu)成。120GHz的功率放大器是由4級(jí)共射級(jí)結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)組成的單端功率放大器。仿真結(jié)果表明，單端的功率放大器在120GHz處的小信號(hào)增益為21.97，3帶寬為24GHz(98-122GHz

4、)，飽和輸出功率為7.04，功率附加效率為7.5％，輸出1壓縮點(diǎn)為3.87，直流功耗為55.68。二倍頻器是經(jīng)典的push-push結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明，二倍頻器的最大輸出功率為3.84，最大增益為-4.76，直流功耗為35。240GHz的倍頻器實(shí)現(xiàn)了10的功率增益，0的輸出功率。⑶完成了兩款基于65nm CMOS工藝的140GHz功率放大器的設(shè)計(jì)。第一款功率放大器采用三級(jí)全差分結(jié)構(gòu)，前兩級(jí)為共源結(jié)構(gòu)，最后一級(jí)為共源共柵結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明

5、，該功率放大器在140GHz處的小信號(hào)增益為17.5，3帶寬為25GHz(130-155GHz)，飽和輸出功率為7.9，輸出1壓縮點(diǎn)為5.2功率附加效率為7.5%，直流功耗為80。第二款功率放大器采用四級(jí)全差分結(jié)構(gòu)，四級(jí)全為共源結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明，該功率放大器在140GHz處的小信號(hào)增益為16.8，3帶寬為17GHz(136-153GHz)，飽和輸出功率為11.3輸出1壓縮點(diǎn)為6.55，功率附加效率為4%，直流功耗為160。提出了兩種對(duì)