40-50GHz磷化铟单片集成低噪声放大器的研究

论文摘要

本文介绍了40-50GHz磷化铟单片集成电路低噪声放大器的设计。该项目是由日本天文台资助进行的新一代超低温射电天文望远镜总体研究项目的重要组成部分,由Ammsys公司和日本国立电气通信大学合作进行研究。该项目瞄准当今国际最前沿技术和指标,采用NTT Electronics （NEL）提供的InP 0.1μm HEMT工艺,使用共面波导线作为传输线。本文作者在日本交流期间,参与了项目的绝大部分工作。电路已经投片加工并测试,但由于合同限制,整体电路测试结果不能用在本文中使用。但是InP HEMT管芯测试结果以及各种单元无源部件的实际加工测试结果均在文中有所应用。文中所用测试结果均为实验室专业测试人员测试,并与第三方测试平台测试结果进行了对照,因此保证了准确性。InP工艺中的无源部件建模。在实验数据的基础上,对共面波导加载的下穿桥进行了深入的研究,提出了准确的等效电路模型以及在此基础上的新的下穿桥偶模阻抗匹配法;另外对其奇模抑制能力也进行了研究。同时为在电路中使用的各种类型的共面波导线、下穿桥、短路支节和HEMT外围无源结构建立准确的解析式模型和场仿真模型,从而为后面的电路设计打下基础。InP HEMT小信号模型建立。分别根据“三步法”和改进的FET Noise Model Gupta模型来决定无源寄生参数部分和本征部分的HEMT小信号等效电路模型。根据实验数据,先将寄生参数提取出来,然后将将寄生参数的影响从测试结果中剥离出去,从而最后将本征参数提取出来。做为低噪声放大器的重要理论基础,本文对噪声理论及模型进行了介绍,以及根据实验结果进行噪声模型参数提取的过程。InP HEMT外围结构优化。CPW模式的管芯外围结构引入了大量的寄生参量,本文对其结构进行了有效的优化。在已建立的小信号模型的基础上,根据对电路理论的研究,找到改善噪声及稳定性的途径,进而将这种理论使用到对HEMT外围结构的优化上面,并获得的非常好的结果。低噪声放大器的设计。在前面准备工作的基础上,分别对两级放大器进行设计。第一级进行噪声匹配,第二级功率匹配。电路仿真结果成功实现室温设计指标,并且根据估算,低温条件下的指标也可以达到。设计工作中使用的有源等效电路模型和无源场仿真模型都是经过实验数据验证的,从而保证了设计的准确性和可靠性。最后进行了直流偏置和版图的设计。设计达到指标:在40-50GHz频段,在20K的环境温度下,实现25K的噪声温度,增益大于20dB。在室温下,实现小于2.5dB的噪声系数,增益大于15dB。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 微波、毫米波单片集成电路概述
• 1.1.1 微波、毫米波单片集成电路的发展历史
• 1.1.2 微波、毫米波单片集成电路的设计流程
• 1.2 磷化铟低噪放的发展状况
• 1.2.1 InP HEMT 的特点及优势
• 1.2.2 InP 低噪放的发展状况
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 InP 工艺中的无源部件
• 2.1 共面波导
• 2.1.1 共面波导及其优点
• 2.1.2 共面波导建模
• 2.1.3 下穿桥加载共面波导建模
• 2.2 短路支节线建模
• 2.3 HEMT 外围无源结构建模
• 2.4 本章小节
• 第三章 InP HEMT 模型
• 3.1 外围寄生参数提取
• 3.1.1 参数提取原理
• 3.1.2 参数提取结果
• 3.1.3 寄生参数剥离
• 3.2 本征部分模型参数提取
• 3.2.1 小信号模型选取
• 3.2.2 模型修正和参数提取结果
• 3.3 HEMT 噪声模型参数提取
• 3.3.1 噪声理论
• 3.3.2 本征参数的提取
• 3.4 本章小节
• 第四章 InP HEMT 外围结构优化
• 4.1 原始HEMT 结构性能
• 4.2 电路理论
• 4.3 外围结构优化
• 4.4 本章小节
• 第五章 低噪声放大器的设计
• 5.1 指标要求
• 5.2 第一级电路设计
• 5.2.1 输入最佳噪声匹配
• 5.2.2 输出阻抗匹配
• 5.2.3 第一级整体电路
• 5.3 第二级电路设计
• 5.3.1 输入最佳噪声匹配
• 5.3.2 输出阻抗匹配
• 5.3.3 第二级整体电路
• 5.4 整体低噪声放大器电路
• 5.5 低温性能估计
• 5.6 电路版图设计
• 5.6.1 直流偏置电路
• 5.6.2 电路版图
• 5.7 本章小节
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间取得的研究成果