【摘要】：隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)代微波系統(tǒng)對(duì)成本和集成度的要求越來(lái)越高,因此,采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝將微波收發(fā)系統(tǒng)所有模塊集成在同一塊硅晶片上一直都是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。目前,微波功率放大器和微波開(kāi)關(guān)由于高功率處理能力的要求是微波前端實(shí)現(xiàn)全集成的主要限制因素,這篇文章主要對(duì)硅基CMOS微波開(kāi)關(guān)進(jìn)行研究,推動(dòng)微波系統(tǒng)的前進(jìn)與發(fā)展。本文對(duì)微波開(kāi)關(guān)關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)地研究,并著重針對(duì)功率處理能力提出了改善方法,同時(shí)也探究了關(guān)鍵無(wú)源器件的模型和工作機(jī)制,以指導(dǎo)高品質(zhì)無(wú)源器件的設(shè)計(jì)。三阱體硅互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Triple-well Bulk CMOS)工藝的襯底導(dǎo)電性和寄生電容使高頻微波體硅CMOS開(kāi)關(guān)難以實(shí)現(xiàn)低插入損耗,因此基于集總等效傳輸線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高頻微波開(kāi)關(guān)以緩解晶體管的襯底泄漏損耗,從而獲得低插損性能。高頻高隔離度微波開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)在低插損微波開(kāi)關(guān)基礎(chǔ)上通過(guò)結(jié)構(gòu)串疊來(lái)實(shí)現(xiàn),以插損的犧牲換取隔離度的提升,并以晶體管串疊技術(shù)和前饋電容技術(shù)改善功率處理能力。絕緣體上硅(SOI)工藝由于埋氧層而可以使用高阻硅襯底緩解襯底耦合效應(yīng)。低頻微波開(kāi)關(guān)使用浮體型絕緣體上硅N溝通場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FB SOI NMOSFET),采用串并式結(jié)構(gòu),使用晶體管串疊改善功率處理能力。論文對(duì)其封裝也進(jìn)行了考慮,并與開(kāi)關(guān)進(jìn)行聯(lián)合仿真與設(shè)計(jì),減小封裝對(duì)開(kāi)關(guān)微波性能的影響。通過(guò)對(duì)高頻低插損微波開(kāi)關(guān)的測(cè)試,在16GHz,發(fā)射模式和接收模式的測(cè)試插損分別為4.3dB和4.1dB,隔離度分別為26dB和24dB,輸入0.1dB功率壓縮點(diǎn)(IP0.1dB)和輸入1dB功率壓縮點(diǎn)(IP1dB)分別為8dBm和13.5dBm。高頻高隔離度微波開(kāi)關(guān)的測(cè)試結(jié)果表明:在17.5GHz,發(fā)射模式和接收模式的插損分別為2.7dB和2.3dB,隔離度分別為42dB和31dB,發(fā)射模式的IP1dB為22dBm,IP0.1dB為17dBm。低頻高功率處理能力開(kāi)關(guān)的仿真結(jié)果表明:各工作模式的插入損耗小于1.1dB,隔離度大于25dB,IP1dB約44dBm,IP0.1dB約41dBm。所設(shè)計(jì)的微波CMOS開(kāi)關(guān)基本符合預(yù)期的性能要求,對(duì)硅基CMOS全集成微波系統(tǒng)的發(fā)展有一定的推動(dòng)作用和借鑒意義。
[Abstract]:With the development of wireless communication technology, modern microwave system requires more and more cost and integration. Using complementary metal oxide semiconductor (CMOS) process to integrate all modules of microwave transceiver system on the same silicon wafer has always been a hot topic at home and abroad. At present, microwave power amplifier and microwave switch are the main limiting factors for the full integration of microwave front-end due to the requirement of high power processing capability. This paper mainly studies the silicon-based CMOS microwave switch to promote the progress and development of microwave system. In this paper, the key performance parameters of microwave switch are studied in detail, and the methods to improve the power processing ability are put forward. At the same time, the model and working mechanism of the key passive devices are also explored to guide the design of high quality passive devices. The substrate conductivity and parasitic capacitance of three-well silicon complementary metal oxide semiconductor (Triple-well Bulk CMOS) process) make it difficult to realize low insertion loss of high frequency microwave bulk silicon CMOS switch. Therefore, based on lumped equivalent transmission line structure, a high frequency microwave switch is designed to reduce the substrate leakage loss of transistors and obtain low insertion loss performance. The design of high frequency and high isolation microwave switch is based on low insertion loss microwave switch, which is realized by structure cascade, which gains isolation by sacrificing insertion loss, and improves power processing ability by transistor cascade technology and feedforward capacitor technology. High resistance silicon substrate can be used to mitigate the substrate coupling effect due to the buried oxygen layer in the silicon (SOI) process on insulators. The low frequency microwave switch uses the silicon N communication field effect transistor (FB SOI NMOSFET),) on the floating insulator to adopt the series-parallel structure and the transistor cascade to improve the power processing ability. In this paper, the encapsulation is also considered, and the simulation and design with the switch are carried out to reduce the influence of the package on the microwave performance of the switch. The test results of high frequency low insertion loss microwave switches show that at 16 GHz, the test insertion loss of transmission mode and receiving mode is 4.3dB and 4.1 dB, the isolation degree is 26dB and 24 dB, and the input 0.1dB power compression point (IP0.1dB) and input 1dB power compression point (IP1dB) are 8dBm and 13.5 dBm, respectively. The test results of high frequency and high isolation microwave switches show that at 17.5 GHz, the insertion loss of transmit mode and receiving mode is 2.7dB and 2.3 dB, the isolation degree is 42dB and 31 dB, and the IP1dB of transmitting mode is 22dBmP0.1dB is 17dBmm. The simulation results of low frequency and high power processing power switches show that the insertion loss of each operation mode is less than 1.1 dB, and the isolation degree is greater than 25 dB IP 1dB about 44dBmU IP 0.1dB about 41dBmm. The designed microwave CMOS switch basically accords with the expected performance requirements, and it has a certain role in promoting the development of silicon-based CMOS full integrated microwave system and reference significance.
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN63

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本文編號(hào)：2291929