本文關(guān)鍵詞：毫米波單片集成混頻器的設(shè)計(jì)及其小型化　出處：《浙江大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：由Edholm定律推斷:在2020年,無線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率將會(huì)達(dá)到10 Gbps左右甚至更高,可以實(shí)現(xiàn)大容量、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮撩撞o線通信系統(tǒng)成為研究熱點(diǎn)。混頻器是無線通信系統(tǒng)收發(fā)前端的關(guān)鍵電路模塊之一,特別是對(duì)于100GHz以上的頻段,商用的低噪聲放大器或者功率放大器極其昂貴或難以實(shí)現(xiàn),混頻器可能會(huì)成為接收機(jī)的第一級(jí)或發(fā)射機(jī)的最后一級(jí),其轉(zhuǎn)換增益、噪聲等性能指標(biāo)與系統(tǒng)性能息息相關(guān)。目前針對(duì)60 GHz以下頻段已將有許多方法和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于改善混頻器的轉(zhuǎn)換增益、3dB帶寬等性能指標(biāo),但是也引入了許多其他的問題,如芯片面積增大等;同時(shí),100 GHz頻段混頻器多采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),其所占芯片面積也比較大。因此,本論文圍繞毫米波單片集成混頻器設(shè)計(jì)及其小型化這一研究方向,從無源器件和電路架構(gòu)等方面著手,深入討論了電路小型化的設(shè)計(jì)方法,完成的主要工作與創(chuàng)新如下:1)針對(duì)毫米波頻段片上無源器件模型不準(zhǔn)的問題,對(duì)高頻建模方法開展深入研究。論文分析了影響片上無源器件高頻性能的各種寄生效應(yīng)和損耗機(jī)制,對(duì)常用的建模方法進(jìn)行歸納、總結(jié),并結(jié)合片上無源器件的特點(diǎn),分別采用三維電磁場仿真工具HFSS和Momentum進(jìn)行電磁場全波仿真建模,并根據(jù)測試結(jié)果對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行修正。由測試和仿真建模結(jié)果對(duì)比可知,在0.1 GHz到220 GHz頻段內(nèi),所建立的仿真模型可以有效地表征傳輸線等片上無源器件的頻率特性。2)為了降低V波段單片集成次諧波混頻器電路制造成本、拓展工作帶寬,提出了兩種不同的基于集總元件的小型化設(shè)計(jì)方法,還采用螺旋式結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減小Marchand巴倫的尺寸;此外,還通過電路的優(yōu)化設(shè)計(jì),改善耦合器和巴倫的輸出不平衡度,有效的拓展了混頻器的工作帶寬。其中,采用改進(jìn)型準(zhǔn)集總拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的V波段次諧波混頻器已流片驗(yàn)證;測試結(jié)果表明:轉(zhuǎn)換增益為-13.5±1.5dB,3dB帶寬為20GHz。該方法可以在沒有犧牲轉(zhuǎn)換增益、帶寬等性能的前提下,減小芯片面積;該電路在已有的基于化合物工藝的同類型報(bào)道中面積最小。3)為了解決D波段單片集成混頻器電路的設(shè)計(jì)方法的問題,采用四分之一波長開路枝節(jié)和二分之一波長短路枝節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)本振和射頻信號(hào)的回收,設(shè)計(jì)了一款傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的次諧波混頻器。由測試和仿真結(jié)果對(duì)比可知,在110 GHz到145 GHz的頻段內(nèi),轉(zhuǎn)換增益為-17±3 dB,兩者具有良好的一致性;與目前所報(bào)道的D波段次諧波混頻器相比,該電路還具有突出的綜合性能指標(biāo)。4)為了解決串聯(lián)或并聯(lián)集總元件減小芯片面積的方法在高頻不再適用的問題,提出一種改進(jìn)型非對(duì)稱三耦合線加載射頻和本振信號(hào),完成了 一款面積更加緊湊的D波段次諧波混頻器。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比,面積減小了 30%,節(jié)省了制造成本。測試結(jié)果表明,轉(zhuǎn)換增益最大值為-13.9 dB,3dB帶寬為32 GHz。在轉(zhuǎn)換增益等性能均可比擬的前提下,該電路是目前所報(bào)道的基于化合物工藝的面積最小的D波段次諧波混頻器。5)為了解決不同類型的混頻器射頻、本振信號(hào)共用同一個(gè)匹配電路的問題,研究了不同偏置電壓和本振信號(hào)驅(qū)動(dòng)下FET大信號(hào)的阻抗變化趨勢,完成了 一款阻/漏雙模的無源基波混頻器。測試結(jié)果表明,工作在阻性狀態(tài)時(shí),轉(zhuǎn)換增益的最大值為-8.0dB;工作在漏極狀態(tài)時(shí),轉(zhuǎn)換增益的最大值為-4.4dB。與目前所報(bào)道的基于化合物工藝的同頻段電路相比,該電路在轉(zhuǎn)換增益、3 dB帶寬等方面性能比較突出,具有卓越的FOMs,是目前國內(nèi)所報(bào)道的第一款基于化合物工藝的D波段基波雙�；祛l器。論文以70nm GaAs mHEMT和1um InP DHBT工藝為背景,對(duì)影響片上無源器件高頻性能的各種寄生效應(yīng)和損耗機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)分析并建立了相關(guān)的電磁場仿真模型;還從無源器件和電路架構(gòu)出發(fā),設(shè)計(jì)了三款不同類型的V波段單片集成次諧波混，

本文編號(hào)：1351724