本文關(guān)鍵詞：60GHz CMOS發(fā)射機的設(shè)計與實現(xiàn)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：無線通信經(jīng)歷了幾十年的迅猛發(fā)展,通信速率從幾kbps增長到了幾百Mbps,可是多媒體業(yè)務(wù)和高清視頻數(shù)據(jù)等對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,為了滿足下一代無線通信的高達數(shù)Gbps傳輸速率的需求,60GHz毫米波通信成為下一代無線通信標準的有力候選。要實現(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。然而要實現(xiàn)60GHz射頻通信系統(tǒng)芯片,仍有許多問題亟待解決。在國內(nèi)目前毫米波芯片設(shè)計基礎(chǔ)較為薄弱的背景下,本論文針對60GHz射頻通信系統(tǒng)芯片中的發(fā)射機部分開展了較深入的研究,論文的主要研究內(nèi)容和貢獻概括如下：1) 設(shè)計并實現(xiàn)了多款60GHz CMOS功率放大器。針對CMOS工藝的低fmaxt,低工作電壓,以及bulk工藝在毫米波段的高損耗的特點,本論文提出和應(yīng)用了一系列新的電路設(shè)計技術(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,論文給出了詳細的數(shù)學(xué)證明；b)采用變壓器功率合成技術(shù)提高輸出功率,具有面積小,損耗低的優(yōu)點；c)從匹配軌跡出發(fā),提出了新的級間匹配方式,極大的降低了匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗等。利用這些技術(shù),本論文實現(xiàn)了兩款大功率功率放大器,其中四路功率合成三級功率放大器測試增益為24.5dB,飽和輸出功率Psat超過18dBm,最大效率.PAEmax為13%;八路功率合成功率放大器測試增益為25dB,Psat達到20.6dBm,輸出1dB壓縮點OP1dB超過17dBm, PAEmax達到16%。針對發(fā)射機對功率放大器的要求,論文又設(shè)計了一款非對稱供電的功率放大器,通過電路及版圖優(yōu)化,放大器克服了非對稱供電對平衡性的影響。仿真結(jié)果表明放大器增益超過30dB,Psat達到19dBm,PAEmax為16%。為了解決功率放大器帶寬的問題,論文設(shè)計了一款頻帶可調(diào)的功率放大器,利用開關(guān)電容技術(shù)對放大器匹配進行調(diào)節(jié)。仿真表明放大器能夠覆蓋IEEE 802.15.3c標準四個通道,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,僅一路差分就實現(xiàn)了超過16dBm的輸出功率。本論文所設(shè)計的幾款功率放大器,在增益,輸出功率,效率,帶寬各方面達到了世界上同類功率放大器的先進水平。2)設(shè)計并實現(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,同時內(nèi)接本振緩沖器和射頻緩沖器,降低了本振信號的驅(qū)動功率,提高了射頻信號的輸出線性度。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,實現(xiàn)寬帶高增益和低損耗,不僅覆蓋了IEEE 802.15.3c標準所指定的四個通道,而且?guī)?nèi)波動小于1.5dB,不考慮本振緩沖器的功耗,此混頻器僅消耗32mmW功率,而OP1dB達到2.5dBm,轉(zhuǎn)換增益達到14dB,各個方面的性能都表現(xiàn)優(yōu)異。3) 設(shè)計并實現(xiàn)了60GHz全集成CMOS收發(fā)機中的發(fā)射機。從系統(tǒng)鏈路計算開始,分析了實現(xiàn)設(shè)定目標所需要的發(fā)射機指標：發(fā)射機采用滑動中頻架構(gòu),降低了IQ正交調(diào)制器的設(shè)計難度；詳細分析了影響發(fā)射機EVM的各個非理想因素,提出了各個模塊電路的設(shè)計目標；介紹了發(fā)射機各個模塊的設(shè)計要點；給出了發(fā)射機測試的結(jié)果。測試結(jié)果表明,本發(fā)射機能夠?qū)崿F(xiàn)最高達10.6Gb/s傳輸速率,最高發(fā)射功率能夠達到11.52dBm,EVM測試結(jié)果完全滿足IEEE標準要求的-14dB (QPSK)和-21dB (16QAM)的要求。最后給出了收發(fā)機的測試結(jié)果,結(jié)果表明此收發(fā)機系統(tǒng)傳輸速率為3.5Gbps (7Gbps)時,傳輸距離可以達到6m(4m),滿足項目設(shè)計要求,是一款性能優(yōu)異的全集成毫米波收發(fā)機系統(tǒng)芯片。
【關(guān)鍵詞】：60 GHz 毫米波 CMOS 發(fā)射機 功率放大器 變頻器
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN838;TN722
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第一章 緒論15-25
• 1.1 研究背景15-22
• 1.1.1 無線通信的發(fā)展趨勢-60GHz成為研究熱點15-18
• 1.1.2 60GHz標準18-20
• 1.1.3 集成電路的發(fā)展趨勢-60GHz實現(xiàn)成為可能20-22
• 1.1.4 小結(jié)22
• 1.2 60G國內(nèi)外研究現(xiàn)狀22-24
• 1.2.1 北美22-23
• 1.2.2 歐洲23
• 1.2.3 亞洲23
• 1.2.4 小結(jié)23-24
• 1.3 論文組織結(jié)構(gòu)24-25
• 第二章 60GHz CMOS發(fā)射機設(shè)計分析25-43
• 2.0 60GHz收發(fā)機研究現(xiàn)狀25-27
• 2.1 60GHz發(fā)射機架構(gòu)分析27-28
• 2.2 60GHz發(fā)射機電路性能與EVM分析28-35
• 2.2.1 線性度對于EVM的影響29-31
• 2.2.2 IQ不平衡對EVM的影響31-32
• 2.2.3 載波泄露對于EVM的影響32-33
• 2.2.4 相位噪聲噪聲對于EVM的影響33-34
• 2.2.5 帶寬對于EVM的影響34-35
• 2.3 60GHz發(fā)射機器件分析35-41
• 2.3.1 有源器件35-36
• 2.3.2 無源器件36-41
• 2.4 發(fā)射機設(shè)計流程及要點41
• 2.5 本章小結(jié)41-43
• 第三章 60GHz CMOS功率放大器的設(shè)計與實現(xiàn)43-77
• 3.1 簡介43-48
• 3.1.1 60GHz功率放大器研究歷程43-45
• 3.1.2 60GHz功率放大器設(shè)計難點45-48
• 3.2 一款4路功率合成18dBm功率放大器48-64
• 3.2.1 電容中和-偽差分共源放大器結(jié)構(gòu)48-54
• 3.2.2 共模穩(wěn)定性分析54-56
• 3.2.3 差分晶體管版圖寄生參數(shù)影響56-57
• 3.2.4 功率合成與末級匹配57-61
• 3.2.5 一種低損耗的級間匹配方式61-62
• 3.2.6 測量結(jié)果62-64
• 3.3 一款8路功率合成20.6dBm功率放大器64-69
• 3.3.1 八路功率合成技術(shù)分析64
• 3.3.2 負載牽引仿真64-65
• 3.3.3 低損耗級間匹配設(shè)計65-67
• 3.3.4 測量結(jié)果67-69
• 3.4 一款非對稱供電19dBm功率放大器69-72
• 3.4.1 非對稱供電對電路平衡性的影響70-71
• 3.4.2 非對稱供電對直流壓降的影響71
• 3.4.3 末級功率合成器設(shè)計71-72
• 3.4.4 后仿真結(jié)果72
• 3.5 一款頻帶可調(diào)功率放大器72-76
• 3.5.1 開關(guān)電容技術(shù)73-74
• 3.5.2 減少面積設(shè)計74-75
• 3.5.3 后仿真結(jié)果75-76
• 3.6 本章小結(jié)76-77
• 第四章 60GHz CMOS上變頻器的設(shè)計與實現(xiàn)77-89
• 4.1 簡介77-79
• 4.1.1 混頻器基本概念77
• 4.1.2 60GHz上變頻器研究現(xiàn)狀77-79
• 4.2 60GHz上變頻器的設(shè)計79-85
• 4.2.1 雙平衡吉爾伯特混頻器80-81
• 4.2.2 上變頻器匹配設(shè)計81-84
• 4.2.3 隔離度分析84-85
• 4.3 60GHz上變頻器測試85-88
• 4.3.1 測試儀器和測試方法85
• 4.3.2 測試結(jié)果85-88
• 4.4 本章小結(jié)88-89
• 第五章 60GHz CMOS發(fā)射機的設(shè)計與實現(xiàn)89-105
• 5.1 系統(tǒng)鏈路計算89-91
• 5.2 發(fā)射機電路設(shè)計91-94
• 5.2.1 發(fā)射機增益分配92
• 5.2.2 功率放大器的設(shè)計實現(xiàn)92
• 5.2.3 射頻混頻器的設(shè)計92
• 5.2.4 IQ正交調(diào)制器的設(shè)計92-94
• 5.2.5 本振緩沖器的設(shè)計94
• 5.2.6 發(fā)射機隔離設(shè)計94
• 5.3 發(fā)射機測試及結(jié)果分析94-102
• 5.3.1 單音信號測試95-98
• 5.3.2 調(diào)制信號測試98-102
• 5.4 收發(fā)機測試結(jié)果102-104
• 5.5 小結(jié)104-105
• 第六章 總結(jié)與展望105-107
• 6.1 總結(jié)105-106
• 6.2 展望106-107
• 附錄107-113
• 參考文獻113-119
• 作者簡介119-121
• 致謝121

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  本文關(guān)鍵詞：60GHz CMOS發(fā)射機的設(shè)計與實現(xiàn)，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：263748