基于CMOS技术的60GHz毫米波功率源研究

论文摘要

近年来,60GHz附近的7GHz带宽被允许投入商业开发进行超高速的短距离无线通信,由此引发了各大无线产品公司和研究机构对60GHz通信技术的研究热潮。其中,采用CMOS工艺实现该频段的集成电路设计具有显著的高集成度和成本优势,成为60GHz射频技术的研究热点,但是由于CMOS工艺较低的ft/fmax,限制了其输出功率。本文对一种新颖的基于CMOS技术的60GHz毫米波功率源进行分析和研究,设计该功率源的目的是基于CMOS集成电路获得60GHz毫米波的高功率输出,功率源由环形驻波振荡器、功率放大器和功率合成器组成。环形驻波振荡器由4个半波振荡器环绕而成,输出4路同频、同相、等幅度的差分信号,差分信号经功率放大器放大之后,输出至λ/4谐振器耦合到工作于TE101模的矩形空腔谐振器合成输出高功率,从而解决CMOS工艺输出功率低的问题。论文第一部分阐述了功率源的整体结构,对环形驻波振荡器和功率合成器的基本理论和电路结构进行深入研究。第二部分探讨了功率放大器设计的基本理论和方法,包括功率放大器的分类、主要性能指标的分析和各部分电路的具体设计方法。第三部分基于0.18umRFCMOS工艺,根据环形驻波振荡器的输出功率,设计了对此功率进行最大限度线性放大的30GHz功率放大器,重点介绍功率放大器结构的选择、原理图和版图的设计优化及仿真,特别是如何基于负载牵引技术得到最优的输出阻抗。最后研究了功率放大器及功率合成器的互联并设计了30GHzλ/4驻波谐振器。本文所设计的30GHz A类功率放大器,功率增益为10.14dB,输入1dB压缩点为0.4dBm,输入0dBm功率时输出功率达到9.3dBm,功耗为57.6mW,输入1dB压缩点处的功率附加效率为13.2%。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 60GHz短距离无线通信的背景和意义
• 1.1.1 60GHz无线通信技术的频谱资源及其特点
• 1.1.2 60GHz无线通信技术的集成电路特点
• 1.2 60GHz短距离无线通信国内外研究进展
• 1.2.1 国外学术界基于CMOS工艺60GHz射频收发芯片研究进展
• 1.2.2 国外学术界基于CMOS工艺60GHz功率放大器研究进展
• 1.2.3 国内60GHz CMOS射频电路研究现状
• 1.2.4 工业界60GHz无线短距离通信技术发展及标准现状
• 1.2.5 60GHz CMOS工艺毫米波合成技术
• 1.3 论文的主要研究内容和组织结构
• 1.3.1 论文研究内容
• 1.3.2 论文组织结构
• 第2章 新型60GHz毫米波功率源设计方案
• 2.1 SWO的原理及结构
• 2.1.1 传输线基本理论
• 2.1.2 传输线的状态特征量沿传输线的变换
• 2.1.3 传输线上驻波的形成
• 2.1.4 λ/2 SWO的原理
• 2.1.5 环形SWO阵列结构及其拓展方案
• 101-λ/4"功率合成器'>2.2 "TE₁₀₁-λ/4"功率合成器
• 2.2.1 分布式谐振器及其特征参数
• 2.2.2 基于差分传输线的λ/4驻波谐振器
• 101-λ/4"功率合成器拓展方案'>2.2.3 "TE₁₀₁-λ/4"功率合成器拓展方案
• 2.3 本章小结
• 第3章 功率放大器的设计基础
• 3.1 功率放大器的分类
• 3.1.1 A类功率放大器
• 3.1.2 B类功率放大器
• 3.2 功率放大器的性能指标
• 3.2.1 功率放大器的增益及其非线性
• 3.2.2 功率放大器的效率
• 3.2.3 频率响应特性
• 3.3 功率放大器的设计
• 3.3.1 稳定性设计
• 3.3.2 输入输出匹配网络的设计
• 3.3.3 偏置电路的设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 30GHz CMOS功率放大器的设计
• 4.1 MOSFET器件的物理基础
• 4.2 功率放大器的设计
• 4.2.1 环形SWO的输出功率
• 4.2.2 功率放大器种类的选择
• 4.2.3 功率放大器结构的选择
• 4.2.4 电源电压的确定
• 4.2.5 功率放大器级数的选择
• 4.2.6 整体电路结构
• 4.2.7 偏置电路的设计
• 4.2.8 输入输出匹配电路的设计
• 4.3 前仿真结果及分析
• 4.3.1 功率增益和输入输出匹配的仿真与分析
• 4.3.2 稳定性仿真与分析
• 4.3.3 功率增益压缩仿真与分析
• 4.4 版图设计与仿真结果
• 4.5 30GHz λ/4驻波谐振器的设计
• 4.6 功率源各部分电路的互联
• 4.7 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 参考文献
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果