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用于多模多频射频发射模块的SiGe BiCMOS功率放大器关键技术研究

陈磊  
【摘要】:不断发展的无线通信技术对于多模多频集成提出了更高要求。覆盖多种通信模式、多个频段,并支持其应用的射频集成模块设计己成为研究热点。同时满足多模协议要求,能够覆盖高速率数据业务、中等速率射频识别业务与低速率语音业务,整合衔接我国第三代高容量高频谱效率无线通信技术、国内非接触式超高频射频识别技术和无线局域网技术频段,并支持协议规定复杂调制形式的多模多频功率放大器研究是其中的难点之一。 多模多频射频功率放大器设计是本文研究的重点:研究了射频功率放大器在不同协议模式下的效率和线性度提升方法,其次研究了各模式频段基于SiGe BiCMOS工艺的功率放大器设计方法,最后研究了如何将符合各模式要求的功率放大器应用于多模多频发射模块关键电路中。 需要指出的是,本文的主要研究工作是基于国内某foundry 0.18μm SiGe BiCMOS工艺线完成的,在与原先0.18μm RF CMOS工艺兼容的工艺平台调试过程中参与了相关的无源及有源器件建模、完善SiGe HBT功率器件和PDK包数据的工作,并对之进行电路验证。 本文的主要成果如下: 1.基于国内某foundry 0.18μm SiGe BiCMOS技术进行了高功率输出、高线性度HBT功率器件设计研究。通过对功率器件的设计与实现,及对功率器件的Loadpull分析,获得了SiGe HBT功率器件实际功放能力的测试数据,为不同频段及协议应用的功率放大器设计提供了依据,同时为完善该工艺的PDK包提供关键数据; 2.充分发挥SiGe HBT器件高功率效率、良好高频特性和高能量转换效率的优势,进行了多模多频功率放大器的设计研究。分别设计了符合900MHz/1.95GHz/2.4GHz三个频段及相关协议性能要求的射频功率放大器; 3.研究了自适应偏置技术提高效率的方法,并同时将一种输出阻抗匹配损耗计算分析方法应用于900MHz功率放大器设计,针对SiGe BiCMOS AB类两级功放结构输出阻抗匹配进行了优化。在片测试结果表明该功率放大器的输出功率P1dB≥24dBm,功率附加效率PAE≥27.4%,有效提升了功率放大器的效率; 4.研究分析了SiGe BiCMOS AB类功率放大器在吉赫兹(GHz)频段高阶非线性AM-PM/AM-AM效应,并应用于1.95GHz功率放大器设计。同时提出了一种基于MOS可变电容的直接反馈子电路,通过相移网络改善二次谐波性能。在片测试表明1.95GHz功率放大器的P1dB≥24dBm,P1dB处PAE≥25.2%。输出功率为24dBm时测得的ACPR为-37.04dBc, EVM rms为2.11%。该设计方法有效抑制了谐波分量,提高了线性度; 5.针对2.4GHz宽信道带宽信号的特点,合理设计了SiGe BiCMOS A类2.4GHz功放输出无源阻抗匹配网络并优化版图设计,采用功率回退技术来提升线性度。在片测试结果表明其P1dB≥22dBm,在802.11b/g模式下工作时发射频谱均可满足协议要求; 6.提出了一种多模多频直接变频无线发射模块架构,可同时涵盖三种模式中的高速率数据业务、中等速率射频识别与低速率语音业务应用需求;对其中关键电路,包括小数分频频率综合器、基带电路和上混频器进行了设计及试流片,初步功能测试结果验证了0.18μm SiGe BiCMOS工艺平台的可兼容性。 本论文受核高基国家重大专项《嵌入式多模、多频收发器关键IP硬核研究》(编号:2009ZX01034-002-002-001)和上海市国际科技合作基金项目《锗硅BiCMOS射频前端关键集成电路设计技术研究》(编号:09700713800)资助。


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