【摘要】：傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)已經(jīng)難以滿足未來無線通信的需求,人們對第五代(5G)無線通信系統(tǒng)的研發(fā)越來越迫切,毫米波因頻譜豐富等優(yōu)點(diǎn)成為了5G無線通信的良好選擇。本文根據(jù)未來5G可能采用的高頻頻段的調(diào)研結(jié)果,設(shè)計(jì)了一款可提供44GHz~58GHz以及22GHz~29GHz正交本振信號的整數(shù)N型電荷泵鎖相環(huán)頻率綜合器,其基于直接變頻收發(fā)機(jī)和外差式收發(fā)機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),即可應(yīng)用于國際移動通信以及中國工信部所提出的未來5G所有高頻候選頻段的通信系統(tǒng)中。本文的主要研究內(nèi)容和成果如下:1.調(diào)研了目前國際上先進(jìn)的毫米波正交頻率綜合器以及毫米波寬帶VCO可達(dá)到的性能,根據(jù)調(diào)研結(jié)果將本文中毫米波寬帶正交頻率綜合器的性能指標(biāo)定為:相位噪聲小于-90d Bc/Hz@1MHz和-115d Bc/Hz@10MHz、雜散小于-60d Bc、正交相位誤差小于3o、鎖定時間小于6μs。分析了電荷泵鎖相環(huán)頻率綜合器的穩(wěn)定性、噪聲和參考雜散,并根據(jù)制定的性能指標(biāo)要求,借助于CPPSIM和MATLAB等環(huán)路仿真軟件設(shè)定了鎖相環(huán)的環(huán)路參數(shù)。2.對毫米波壓控振蕩器(VCO)的相位噪聲和寬帶技術(shù)進(jìn)行了研究和分析,提出了一種新型的開關(guān)耦合傳輸線(SCTL)寬帶技術(shù),通過45nm SOI CMOS工藝的流片測試驗(yàn)證,SCTL-VCO的調(diào)諧范圍達(dá)到了39.46GHz~58.42GHz(38.74%),相比于沒有采用SCTL的VCO,其在幾乎沒有惡化相位噪聲、增加功耗和面積的前提下,調(diào)諧范圍提高了29.2%,FOMT提高了2.6d B~4.2d B。最后基于SCTLVCO的結(jié)構(gòu),結(jié)合同相注入耦合網(wǎng)絡(luò),設(shè)計(jì)了一款低相位噪聲的寬帶正交壓控振蕩器(QVCO),后仿真結(jié)果表明,該QVCO的頻率調(diào)諧范圍為44.23GHz~57.67GHz(26.38%),10MHz相位噪聲為-119.0d Bc/Hz~-121.57d Bc/Hz,正交相位誤差為2.2o。3.設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于毫米波頻率綜合器的分頻器鏈,其由正交注入鎖定分頻器(QILFD)、三級靜態(tài)CML分頻器和NPS可編程分頻器組成。提出了一種超寬帶正交注入鎖定分頻器的結(jié)構(gòu),其采用差分互補(bǔ)反相注入的方式實(shí)現(xiàn)正交,并結(jié)合開關(guān)耦合傳輸線技術(shù)以及與QVCO模擬、數(shù)字雙共調(diào)諧的技術(shù)提高鎖定分頻范圍。后仿真結(jié)果表明QILFD的鎖定分頻超寬帶范圍為42.6GHz~60.7GHz(35%),正交相位誤差為0.29o,三級CML分頻器的分頻范圍為1.5GHz~38.4GHz,NPS可編程分頻器的分頻比從38到53連續(xù)可調(diào)。4.分析了鑒頻鑒相器(PFD)和電荷泵(CP)的非理想性,針對其非理想性的優(yōu)化,采用了差分互補(bǔ)電流源開關(guān)、比較器反饋電路和單位增益緩沖器等技術(shù)以減小CP的動態(tài)和靜態(tài)電流失配,此外,CP采用可編程電流以使環(huán)路帶寬維持在700k Hz~800k Hz。后仿真結(jié)果表明CP在輸出電壓為0.5V~2.0V內(nèi)的靜態(tài)電流失配小于0.43%,動態(tài)電流失配所引起的雜散為-75.4d Bc,1MHz處的電流噪聲為-233.1d Bc/Hz。5.基于Fujitsu 55nm CMOS工藝,設(shè)計(jì)了一款包含上述的QVCO、分頻器鏈和PFD/CP模塊以及濾波器等模塊的毫米波鎖相環(huán)頻率綜合器,完成了全芯片的版圖設(shè)計(jì)。最終整個芯片的面積為2.7mm*1.1mm,具有提供44.23GHz~57.67GHz和22.12GHz~28.84GHz正交信號的能力。環(huán)路仿真結(jié)果表明,頻率綜合器在56.87GHz處的相位噪聲約為-90d Bc/Hz@1MHz和-115d Bc/Hz@10MHz;全芯片后仿真結(jié)果表明,參考雜散為-68.9d Bc,鎖定時間小于6μs。
【圖文】：

To PAD所設(shè)計(jì)的整數(shù) N 型鎖相環(huán)頻率綜合器系統(tǒng)框圖，，本文先是提出了一種新型的開關(guān)耦合傳輸線（SCTL CMOS 工藝分別設(shè)計(jì)了一款 SCTL-VCO 和一款未采對比兩款 VCO 的流片測試結(jié)果，以驗(yàn)證 SCTL 技術(shù)

2.4 CP PLL 環(huán)路增益特性 （a）一階 LPF，（b）引入補(bǔ)償電阻的一階 LPF，（c）二LPF，（d）三階 LPF階濾波器的傳輸函數(shù)為：2 2 1 2 322 1 3 3 3 1 2 1 3 1 2 31 2 3 1 2 31(1 ) / ( )( )( ) ( )1LPFsR C C C CZ sR C C R C C C R R C C CssC C C C C C+ + +=+ + ++ ++ + + +（2，四階 PLL 的開環(huán)傳輸函數(shù)為：( )( )2 2 1 2 3222 1 3 3 3 1 2 1 3 1 2 31 2 3 1 2 321 2 3 2 31(1 ) / ( )( )( ) ( )2 N111 /2 ( ) 1 / 1 /CP VCOopenCP VCO zp pI K sR C C C CH sR C C R C C C R R C C CssC C C C C CI K sN s C C C s sπωπ ω ω+ + += + + ++ ++ + + ++≈ + + + +（2中，第一極點(diǎn) ωp1和第二極點(diǎn) ωp2位于零頻處，零點(diǎn)為：
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN929.5

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 高鵬;CMOS鎖相環(huán)中關(guān)鍵技術(shù)的研究[D];北京理工大學(xué);2016年

2 盧磊;射頻接收機(jī)中分?jǐn)?shù)分頻頻率綜合器的研究與設(shè)計(jì)[D];復(fù)旦大學(xué);2009年

本文編號：2614711