60GHz CMOS發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、無(wú)線通信經(jīng)歷了幾十年的迅猛發(fā)展，通信速率從幾kbps增長(zhǎng)到了幾百M(fèi)bps，可是多媒體業(yè)務(wù)和高清視頻數(shù)據(jù)等對(duì)通信速率提出更高的要求。面臨傳統(tǒng)的頻譜資源日益緊張的趨勢(shì)，為了滿足下一代無(wú)線通信的高達(dá)數(shù)Gbps傳輸速率的需求，60GHz毫米波通信成為下一代無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)的有力候選。要實(shí)現(xiàn)60GHz通信系統(tǒng)商用，低功耗和低成本的CMOS工藝是首選方案。然而要實(shí)現(xiàn)60GHz射頻通信系統(tǒng)芯片，仍有許多問(wèn)題亟待解決。在國(guó)內(nèi)目前毫米波芯片設(shè)計(jì)基礎(chǔ)較為薄弱的

2、背景下，本論文針對(duì)60GHz射頻通信系統(tǒng)芯片中的發(fā)射機(jī)部分開展了較深入的研究，論文的主要研究?jī)?nèi)容和貢獻(xiàn)概括如下:
　　1)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了多款60GHz CMOS功率放大器。針對(duì)CMOS工藝的低fmax，低工作電壓，以及bulk工藝在毫米波段的高損耗的特點(diǎn)，本論文提出和應(yīng)用了一系列新的電路設(shè)計(jì)技術(shù)。a）電容中和-偽差分共源放大器具有高增益，穩(wěn)定，高隔離度等優(yōu)點(diǎn)，論文給出了詳細(xì)的數(shù)學(xué)證明;b）采用變壓器功率合成技術(shù)提高輸出功率，具有面積

3、小，損耗低的優(yōu)點(diǎn);c）從匹配軌跡出發(fā)，提出了新的級(jí)間匹配方式，極大的降低了匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗等。利用這些技術(shù)，本論文實(shí)現(xiàn)了兩款大功率功率放大器，其中四路功率合成三級(jí)功率放大器測(cè)試增益為24.5dB，飽和輸出功率Psat超過(guò)18dBm，最大效率PAEmax為13％;八路功率合成功率放大器測(cè)試增益為25dB，Psat達(dá)到20.6dBm，輸出1dB壓縮點(diǎn)OP1dB超過(guò)17dBm，PAEmax達(dá)到16％。針對(duì)發(fā)射機(jī)對(duì)功率放大器的要求，論文又設(shè)計(jì)了一

4、款非對(duì)稱供電的功率放大器，通過(guò)電路及版圖優(yōu)化，放大器克服了非對(duì)稱供電對(duì)平衡性的影響。仿真結(jié)果表明放大器增益超過(guò)30dB，Psat達(dá)到19dBm，PAEmax為16％。為了解決功率放大器帶寬的問(wèn)題，論文設(shè)計(jì)了一款頻帶可調(diào)的功率放大器，利用開關(guān)電容技術(shù)對(duì)放大器匹配進(jìn)行調(diào)節(jié)。仿真表明放大器能夠覆蓋IEEE802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)四個(gè)通道，帶內(nèi)平坦度小于1dB。為增大輸出功率，放大器采用極限增大晶體管尺寸的方法，僅一路差分就實(shí)現(xiàn)了超過(guò)16dBm的

5、輸出功率。本論文所設(shè)計(jì)的幾款功率放大器，在增益，輸出功率，效率，帶寬各方面達(dá)到了世界上同類功率放大器的先進(jìn)水平。
　　2)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款60GHz CMOS上變頻器。此上變頻器采用雙平衡吉爾伯特結(jié)構(gòu)，差分輸入差分輸出，同時(shí)內(nèi)接本振緩沖器和射頻緩沖器，降低了本振信號(hào)的驅(qū)動(dòng)功率，提高了射頻信號(hào)的輸出線性度。由于采用變壓器匹配的方法，此上變頻器面積緊湊，增益平坦性也十分出色。與已發(fā)表結(jié)果相比，本論文采用變壓器匹配，實(shí)現(xiàn)寬帶高增益和低損

6、耗，不僅覆蓋了IEEE802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)所指定的四個(gè)通道，而且?guī)?nèi)波動(dòng)小于1.5dB，不考慮本振緩沖器的功耗，此混頻器僅消耗32mW功率，而OP1dB達(dá)到2.5dBm，轉(zhuǎn)換增益達(dá)到14dB，各個(gè)方面的性能都表現(xiàn)優(yōu)異。
　　3)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了60GHz全集成CMOS收發(fā)機(jī)中的發(fā)射機(jī)。從系統(tǒng)鏈路計(jì)算開始，分析了實(shí)現(xiàn)設(shè)定目標(biāo)所需要的發(fā)射機(jī)指標(biāo);發(fā)射機(jī)采用滑動(dòng)中頻架構(gòu)，降低了IQ正交調(diào)制器的設(shè)計(jì)難度;詳細(xì)分析了影響發(fā)射機(jī)EVM的各個(gè)非理

7、想因素，提出了各個(gè)模塊電路的設(shè)計(jì)目標(biāo);介紹了發(fā)射機(jī)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)要點(diǎn);給出了發(fā)射機(jī)測(cè)試的結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明，本發(fā)射機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)最高達(dá)10.6Gb/s傳輸速率，最高發(fā)射功率能夠達(dá)到11.52dBm，EVM測(cè)試結(jié)果完全滿足IEEE標(biāo)準(zhǔn)要求的-14dB(QPSK)和-21 dB(16QAM)的要求。最后給出了收發(fā)機(jī)的測(cè)試結(jié)果，結(jié)果表明此收發(fā)機(jī)系統(tǒng)傳輸速率為3.5Gbps(7Gbps)時(shí)，傳輸距離可以達(dá)到6m(4m)，滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，是一款性能