60GHz硅基毫米波接收機關鍵技術研究與芯片設計.pdf

1、隨著現代社會對無線通信速率要求的不斷提高，在很多場合需要支持數吉比特每秒的傳輸速率。本世紀以來，各國相繼開放了60GHz附近連續(xù)的5-7GHz帶寬用于毫米波短距離高速傳輸應用，比如無線個域網(WPAN)和無線高清多媒體(wireless HD)等。這極大地激發(fā)了學術與工業(yè)界對60GHz毫米波接收機的研究熱情，研究成果也不斷涌現，而在這些成果中硅基CMOS工藝占據了主導地位。作為一種高集成度及低成本的工藝，CMOS工藝的進步使之在毫米波頻

2、段已經具有足夠的吸引力。研究60GHz硅基毫米波接收機對60GHz通信技術的普及具有特別重要的意義。本文基于65nm CMOS工藝對60GHz毫米波接收機及其關鍵電路進行了深入的研究，這些電路包括低噪聲放大器、混頻器、中頻放大器、低通濾波器及可變增益放大器等。
　　本文討論了CMOS毫米波電路設計中的基本問題。毫米波電路設計區(qū)別于吉赫茲電路的特點包括晶體管工作在接近其極限頻率、信號波長短造成互連線的分布效應不可忽略、寄生參數對電路

3、工作狀態(tài)影響大等，這些特點決定了毫米波電路的設計方法與思路。分析了CMOS工藝中包括傳輸線、電感、電容和晶體管等基本元器件在毫米波頻段的特性及在電路設計中的考慮。介紹了用電磁仿真軟件HFSS建立片上無源元件模型的過程，通過兩種巴倫，即變壓器巴倫和Marchand巴倫為例進行了建模與仿真，并分析了它們在阻性與容性負載情況下的特性。
　　本文分析了MOS晶體管在各極端接阻抗時的輸入阻抗、跨導與噪聲性能，在后續(xù)電路設計中可直接引用這些結

4、論。為了獲得足夠的增益，本文中的毫米波低噪聲放大器采用了多級級聯(lián)的結構，并針對每級的特點進行了優(yōu)化設計。在毫米波低噪聲放大器的第一級采用了共源結構以同時獲得較好的輸入阻抗匹配與噪聲性能，而在后續(xù)各級使用共源共柵結構以提高隔離度并獲得較高的增益。在本文中，為了改善低噪聲放大器的輸入匹配、噪聲、增益及帶寬等性能，采用了輸入LC階梯網絡、共源共柵中和電感、柵極反饋電感和級間T型網絡等電感性能提升技術。所設計出的低噪聲放大器具有17.3dB的增

5、益和20GHz的帶寬，噪聲系數小于5dB，由此總結出了改進的60GHz低噪聲放大器的公式化設計方法。本文提出了基于電流復用正反饋結構的低噪聲放大器，并分析了其穩(wěn)定性、跨導及噪聲性能，測試結果表明其在小于10mW的功耗時具有14.9dB的增益和16GHz的帶寬，揭示了其低功耗應用潛力。
　　本文指出了傳統(tǒng)Gilbert結構混頻器直接應用于基于滑動中頻結構的60GHz接收機中出現的問題，尤其是混頻器的中頻帶寬相對信道帶寬較窄。為了有效

6、解決這些問題，本文基于Gilbert結構提出了帶有LCR串聯(lián)諧振網絡和交叉耦合對的混頻器結構。這種結構在Gilbert跨導級采用了電流注入及電感調諧技術，而在負載級加入了并聯(lián)的LCR串聯(lián)諧振網絡和交叉耦合對引入負電導，以同時擴展帶寬和彌補增益的損失。通過對這種結構的增益與帶寬進行分析，得到了其增益帶寬積隨負電導增加而升高的結論，測試結果表明其增益為3dB時中頻帶寬為6.5-17.5GHz，而增益為7.5dB時具有8GHz的中頻帶寬，證明

7、了其同時具有適度增益與寬帶特性。
　　本文對應用于60GHz通信系統(tǒng)的接收鏈路進行了集成。將整個鏈路分為兩個芯片，芯片1包括低噪聲放大器、第一下變頻混頻器和中頻放大器，芯片2包括I/Q正交混頻器、除二分頻器、低通濾波器及可變增益放大器等。接收機采用了基于滑動中頻的二次變頻結構，其中第一本振為48GHz，由24GHz本振源與倍頻器得到，中頻位于12GHz附近，第二本振為正交信號，由24GHz本振源經除二分頻器得到。由于60GHz通信