论文摘要
本文就目前60GHz前端集成电路输出功率低的问题,提出了一种新颖的基于CMOS技术实现高功率60GHz毫米波功率源的电路结构新方案,该结构由环形驻波振荡器（Standing Wave Oscillator, SWO）阵列、差分功率放大器阵列、“TE101-λ/4”功率合成器构成,具有网络结构的特点,能将几个、十几个、数十个以矩阵形式分布在芯片上的功率放大器的输出功率高效地合成,从而得到高功率输出。文章第一部分详细分析了SWO的原理、等效电路模型,并将振荡频率、振荡幅度、起振条件、相位噪声和电路功耗等性能参数拟合成正多项式函数形式,从而将复杂的电路参数优化问题转换为几何规划问题,大大提高了设计效率。几个不同频率的SWO实验结果显示仿真结果和优化结果非常吻合,说明该电路模型在很宽的频率范围内都非常准确。基于GP优化设计方法,设计了一个0.18μm CMOS工艺的30GHz环形SWO阵列,后仿结果显示振荡频率为30.35GHz,相位噪声为-101.86dBc/Hz@1MHz,振荡幅度0.25V,功耗161mW,整个芯片面积为800×990μm2,符合最初设计要求。该优化设计方法完全适用于今后在0.13μm CMOS工艺上设计实现60GHz的环形SWO阵列。文章第二部分仿真了一种“TE101-λ/4”功率合成结构,该结构能将多个差分功率放大器的λ/4谐振器能量耦合到工作于TE101模的矩形空腔谐振器输出。这种结构可在封装层面上实现,降低损耗,大大提高谐振器品质因素。这部分文章首先详细分析了λ/4通孔传输线谐振器和矩形空腔谐振器的工作原理和设计方法以及他们之间的耦合方式。最后应用电磁仿真软件设计了一个60GHzλ/4通孔传输线谐振器、一个60GHz矩形空腔谐振器、一个60GHz“TE101-λ/4"功率合成结构的实例,验证了方案的可行性。
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致谢摘要Abstract目录第1章 绪论1.1 60GHz毫米波无线通信技术1.2 国内外研究现状1.2.1 基于CMOS技术的射频前端电路研究方向及进展1.2.2 基于硅/CMOS技术的毫米波功率放大器设计1.2.3 基于硅/CMOS技术的毫米波功率合成技术1.3 本文主要贡献第2章 新型60GHZ毫米波功率源实现方案2.1 环形SWO阵列方案2.2 差分功率放大器阵列方案101-Λ/4"功率合成结构方案'>2.3 "TE101-Λ/4"功率合成结构方案2.4 低功耗优化设计方案2.5 电路扩展方案2.6 本方案特色与创新点2.7 本章小结第3章 SWO电路原理3.1 传输线理论3.1.1 传输线的等效电路模型3.1.2 传输线的特征阻抗和传播常数3.1.3 差分传输线及其等效电路3.1.4 差分传输线单端S参数与混合模式S参数3.2 驻波3.3 SWO原理及性能参数分析3.3.1 MOS管模型3.3.2 CCP电路分析3.3.3 CCP加载的差分传输线等效电路3.3.4 起振条件及振荡频率3.3.5 振荡信号幅度3.3.6 相位噪声3.3.7 功耗3.4 本章小结第4章 SWO优化设计4.1 GP介绍4.1.1 正多项式函数4.1.2 GP的标准形式4.1.3 权衡分析4.1.4 正多项式函数拟合方法4.2 SWO电路的GP优化设计4.2.1 设计变量及其约束条件4.2.2 尺寸约束条件4.2.3 功耗约束条件4.2.4 起振约束条件4.2.5 频率约束条件4.2.6 振度约束条件4.2.7 相噪约束条件4.3 SWO优化问题的GP形式4.4 设计实例4.4.1 优化结果4.4.2 权衡分析4.4.3 30GHz SWO阵列的原理图仿真,版图及后仿4.5 本章小结101-Λ/4"功率合成结构研究'>第5章 "TE101-Λ/4"功率合成结构研究5.1 采用封装通孔做差分传输线的Λ/4驻波谐振器5.1.1 谐振器品质因素5.1.2 采用封装通孔做差分传输线的λ/4驻波谐振器品质因素5.1.3 60GHzλ/4通孔传输线谐振器设计实例5.2 基片集成矩形空腔谐振器5.2.1 矩形波导结构及其场模式5.2.2 基片集成波导（SIW）5.2.3 矩形空腔谐振器5.2.4 60GHz矩形空腔谐振器设计实例5.3 矩形波导的激励和耦合5.3.1 电激励、磁激励5.3.2 电磁混合激励（小孔耦合）101-Λ/4"功率合成结构设计实例'>5.4 60GHz"TE101-Λ/4"功率合成结构设计实例5.5 本章小结结束语参考文献攻读硕士学位期间所发表的学术论文
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