基于壓控振蕩器和倍頻器技術的毫米波信號源設計
發(fā)布時間：2021-01-18 15:43
隨著科學技術的發(fā)展,近年來射頻收發(fā)機系統(tǒng)對成本、功耗、集成度的要求越來越高,并且隨著雷達、醫(yī)療等領域的應用也越來越普及,頻段已經延伸至毫米波/太赫茲,對信號源的指標要求也有了更高的標準。因此在毫米波/太赫茲頻段上設計出一個高純度、寬帶、高穩(wěn)定度的信號源是當前一個重要研究方向。本文介紹了毫米波頻段的研究背景與意義,闡述了信號源技術以及近年來國內外關于毫米波信號源的研究現狀,分析了壓控振蕩器和倍頻器的理論知識和實現電路振蕩與倍頻的幾種常見方法,以及設計時所遇到的難題。其中對無源器件包括片上螺旋電感,微帶線,共面波導,巴倫進行了分析與電磁仿真。本文基于IHP 130nm SiGe BiCMOS工藝設計出了兩款毫米波信號源電路,第一款為:基于壓控振蕩器技術的140GHz正交壓控振蕩器毫米波信號源;第二款為:基于倍頻器技術的220GHz毫米波信號源。對于基于壓控振蕩器技術的毫米波信號源,設計采用兩個差分Colpitts結構壓控振蕩器單元,通過共模點超諧波耦合技術使振蕩器產生正交信號,并提出了毫米波正交信號相位誤差的測試方法。電路仿真結果表明:振蕩器調諧范圍覆蓋133GHz-150GHz,相對調諧...
【文章來源】：杭州電子科技大學浙江省
【文章頁數】：89 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
基督教多普勒集成雷達傳感器實驗室和約翰內斯·開普勒大學設計的毫米波信號源2014年，新加坡南洋理工大學的YangShang,HaoYu,PengLi等人基于65nm
杭州電子科技大學碩士學位論文3圖1.2基督教多普勒集成雷達傳感器實驗室和約翰內斯·開普勒大學設計的毫米波信號源2014年，新加坡南洋理工大學的YangShang,HaoYu,PengLi等人基于65nmCMOS工藝通過運用零相位耦合振蕩器網絡實現了一個140GHz高輸出功率、高效率的注入鎖定毫米波信號源。每個振蕩器單元均由70GHz零相位偏移和0.4dB損耗的叉指耦合器設計，通過push-push倍頻器進一步倍頻至140GHz。在每個振蕩單元頻率133.5GHz下，電路調諧范圍為9.7%，輸出功率為3.5mW，功率效率為2.4%，功率密度為26.9mW/mm2，對應的芯片面積為0.13mm2，如圖1.3所示[19]。圖1.3新加坡南洋理工大學設計的毫米波信號源2015年，韓國大田市科學技術高級研究所的HyunjiKoo,Choul-YoungKim等人基于65nmCMOS工藝通過運用Push-Push變壓器實現了一款高效率和寬調諧范圍的壓控振蕩器，電路的供電電壓為1.2V，振蕩頻率239GHz，輸出功率大小為-4.8dBm，轉換效率為1.45%，振蕩器調諧范圍為12.5%，在10MHz頻偏處，相位噪聲大小為-110dBc/Hz，如圖1.4所示[20]。
杭州電子科技大學碩士學位論文4圖1.4韓國大田市科學技術高級研究所設計的壓控振蕩器2015年，英特爾公司移動無線集團的NitzanOz,EmanuelCohen基于28nmCMOS工藝設計了一款頻率覆蓋范圍在105GHz-130GHz，用于F波段頻率的高功率二倍頻器，電路采用1.1V低壓工藝設計。為縮小倍頻尺寸，他們提出了一種縮短輸入網絡中二次諧波并平衡基頻輸入巴倫的新方法，倍頻器在120GHz時的峰值輸出功率為4dBm，偏置電壓為0V時效率為18％，最大倍頻增益為-2.2dB，直流功耗僅為14mW，芯片占用的尺寸為0.03mm2。該設計是通過運行完整的EM仿真和元件提取實現的，從而獲得出色的測量模擬擬合，如圖1.5所示[21]。圖1.5英特爾公司移動無線集團設計的用于F波段頻率的高功率二倍頻器2016年，美國倫斯勒理工學院的SriramMuralidharan,KefeiWu,MonaHella基于130nmSiGeBiCMOS工藝提出了一種放大器-倍頻鏈，倍頻器單元輸入端使用二次諧波反射器以減少轉換損耗。在輸出頻率204GHz處最大輸出功率為5dBm，輸出頻率為165GHz-230GHz，3-dB帶寬覆蓋65GHz，相對帶寬為32.5%，直流功耗為0.38W，該芯片大小為0.74×0.38mm2，如圖1.6所示[22]。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]一種應用于K波段的寬鎖定范圍的CMOS注入鎖定三倍頻器[J]. 王煒,李巍. 復旦學報(自然科學版). 2015(06)
[2]國際半導體技術發(fā)展路線圖（ITRS）2013版綜述（1）[J]. 黃慶紅. 中國集成電路. 2014(09)
[3]毫米波二倍頻器的研究與設計[J]. 張倩,孫玲玲,文進才. 杭州電子科技大學學報. 2013(06)
[4]毫米波精確制導技術及其發(fā)展概況[J]. 呂海濤. 飛航導彈. 2010(05)
[5]微波倍頻器的發(fā)展與設計[J]. 朱志勇,王積勤. 制導與引信. 2003(03)
博士論文
[1]電感電容壓控振蕩器[D]. 唐長文.復旦大學 2004
碩士論文
[1]K波段六次倍頻濾波多功能MMIC的研究[D]. 王任遠.電子科技大學 2018
[2]毫米波倍頻器研究與設計[D]. 姜文杰.杭州電子科技大學 2018
[3]基于CMOS的毫米波倍頻器研究與設計[D]. 呂翔宇.杭州電子科技大學 2018
[4]基于CMOS工藝的毫米波寬帶混頻器設計[D]. 王龍.杭州電子科技大學 2018
[5]3mm波段倍頻器與諧波混頻器[D]. 明宇.電子科技大學 2013
[6]Ka全頻段四倍頻器的研制[D]. 關華平.電子科技大學 2007
本文編號：2985207
【文章來源】：杭州電子科技大學浙江省
【文章頁數】：89 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
基督教多普勒集成雷達傳感器實驗室和約翰內斯·開普勒大學設計的毫米波信號源2014年，新加坡南洋理工大學的YangShang,HaoYu,PengLi等人基于65nm
杭州電子科技大學碩士學位論文3圖1.2基督教多普勒集成雷達傳感器實驗室和約翰內斯·開普勒大學設計的毫米波信號源2014年，新加坡南洋理工大學的YangShang,HaoYu,PengLi等人基于65nmCMOS工藝通過運用零相位耦合振蕩器網絡實現了一個140GHz高輸出功率、高效率的注入鎖定毫米波信號源。每個振蕩器單元均由70GHz零相位偏移和0.4dB損耗的叉指耦合器設計，通過push-push倍頻器進一步倍頻至140GHz。在每個振蕩單元頻率133.5GHz下，電路調諧范圍為9.7%，輸出功率為3.5mW，功率效率為2.4%，功率密度為26.9mW/mm2，對應的芯片面積為0.13mm2，如圖1.3所示[19]。圖1.3新加坡南洋理工大學設計的毫米波信號源2015年，韓國大田市科學技術高級研究所的HyunjiKoo,Choul-YoungKim等人基于65nmCMOS工藝通過運用Push-Push變壓器實現了一款高效率和寬調諧范圍的壓控振蕩器，電路的供電電壓為1.2V，振蕩頻率239GHz，輸出功率大小為-4.8dBm，轉換效率為1.45%，振蕩器調諧范圍為12.5%，在10MHz頻偏處，相位噪聲大小為-110dBc/Hz，如圖1.4所示[20]。
杭州電子科技大學碩士學位論文4圖1.4韓國大田市科學技術高級研究所設計的壓控振蕩器2015年，英特爾公司移動無線集團的NitzanOz,EmanuelCohen基于28nmCMOS工藝設計了一款頻率覆蓋范圍在105GHz-130GHz，用于F波段頻率的高功率二倍頻器，電路采用1.1V低壓工藝設計。為縮小倍頻尺寸，他們提出了一種縮短輸入網絡中二次諧波并平衡基頻輸入巴倫的新方法，倍頻器在120GHz時的峰值輸出功率為4dBm，偏置電壓為0V時效率為18％，最大倍頻增益為-2.2dB，直流功耗僅為14mW，芯片占用的尺寸為0.03mm2。該設計是通過運行完整的EM仿真和元件提取實現的，從而獲得出色的測量模擬擬合，如圖1.5所示[21]。圖1.5英特爾公司移動無線集團設計的用于F波段頻率的高功率二倍頻器2016年，美國倫斯勒理工學院的SriramMuralidharan,KefeiWu,MonaHella基于130nmSiGeBiCMOS工藝提出了一種放大器-倍頻鏈，倍頻器單元輸入端使用二次諧波反射器以減少轉換損耗。在輸出頻率204GHz處最大輸出功率為5dBm，輸出頻率為165GHz-230GHz，3-dB帶寬覆蓋65GHz，相對帶寬為32.5%，直流功耗為0.38W，該芯片大小為0.74×0.38mm2，如圖1.6所示[22]。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]一種應用于K波段的寬鎖定范圍的CMOS注入鎖定三倍頻器[J]. 王煒,李巍. 復旦學報(自然科學版). 2015(06)
[2]國際半導體技術發(fā)展路線圖（ITRS）2013版綜述（1）[J]. 黃慶紅. 中國集成電路. 2014(09)
[3]毫米波二倍頻器的研究與設計[J]. 張倩,孫玲玲,文進才. 杭州電子科技大學學報. 2013(06)
[4]毫米波精確制導技術及其發(fā)展概況[J]. 呂海濤. 飛航導彈. 2010(05)
[5]微波倍頻器的發(fā)展與設計[J]. 朱志勇,王積勤. 制導與引信. 2003(03)
博士論文
[1]電感電容壓控振蕩器[D]. 唐長文.復旦大學 2004
碩士論文
[1]K波段六次倍頻濾波多功能MMIC的研究[D]. 王任遠.電子科技大學 2018
[2]毫米波倍頻器研究與設計[D]. 姜文杰.杭州電子科技大學 2018
[3]基于CMOS的毫米波倍頻器研究與設計[D]. 呂翔宇.杭州電子科技大學 2018
[4]基于CMOS工藝的毫米波寬帶混頻器設計[D]. 王龍.杭州電子科技大學 2018
[5]3mm波段倍頻器與諧波混頻器[D]. 明宇.電子科技大學 2013
[6]Ka全頻段四倍頻器的研制[D]. 關華平.電子科技大學 2007
本文編號：2985207
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