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《杭州电子科技大学》 2011年
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CMOS毫米波功率放大器研究及设计

吴国峰  
【摘要】:近年来,随着无线通信技术的迅速发展,具有宽频带、高传输速率等性能的毫米波电路已成为移动通信系统的发展趋势。标准CMOS工艺特征尺寸持续减小使MOSFET的单位电流增益频率及单位功率增益频率已经达到了上百GHz甚至几百GHz,这为基于标准CMOS工艺设计毫米波射频前端电路提供可能性。CMOS工艺中器件模型准确度及低品质因数、高损耗的无源器件是CMOS毫米波功率放大器设计的瓶颈;CMOS工艺中低跨导、低击穿电压的MOSFET器件是实现CMOS毫米波功率放大器的又一难点。针对CMOS毫米波功率放大器设计的瓶颈及难点,本文对CMOS硅基传输线进行了详细研究并基于SMIC 0.18μm CMOS工艺设计毫米波带通滤波器,接着详细研究了CMOS毫米波功率放大器设计要点并基于IBM 90nm CMOS工艺设计了24GHz宽带功率放大器。本文内容简述如下: 1、本文系统地介绍硅基传输线基本性能指标;对比研究几种不同结构的硅基传输线和硅基传输线的几种模型;简要讨论毫米波硅基传输线不连续性和应对策略。在以上研究的基础上,着重分析了基于SMIC 0.18μm RF-CMOS工艺垂直地平面共面波导(VGP CPW);对比研究了共面波导(CPW)和VGP CPW,讨论了两者的损耗、特征阻抗及隔离特性并建立了VGP CPW长度可扩展的传输线模型。最后使用特征阻抗为50欧姆的低损耗VGP CPW传输线结构,结合VGP CPW长度可扩展模型与电磁(EM)分析方法设计了30GHz带通滤波器。在片测试结果表明,该毫米波VGP CPW传输线滤波器模型仿真和电磁场仿真S参数曲线与测试结果较吻合,能够为毫米波集成电路滤波器设计提供实用性的借鉴。 2、本文先系统地介绍了射频功率放大器基本性能指标、工作分类标准、输入和输出匹配结构及Cripps理论,并介绍了利用CMOS工艺设计毫米波射频功率放大器的面临的挑战,且针对设计挑战提出了有效的应对策略。最后利用IBM 90 nm RF-CMOS工艺设计了全集成24GHz宽带功率放大器,芯片面积为1.2mm*0.67mm。电路由两级自偏置共源共栅(Cascode)级联构成,自偏置Cascode结构不仅可以提高增益、增加反向隔离,且能有效缓解栅氧击穿和热载流子效应带来的可靠性问题。电路以AB类工作模式且2.2V工作电压下,射频功率放大器仿真得到:功率增益等于18dB,输入端反射系数小于-12dB,22GHz-26GHz频段内的1dB压缩点输出功率大于15dBm,最大功率附加效率为14%。 综上,本文对毫米波电路中常用的分布式硅基传输线进行了完整研究,且成功设计传输线30GHz带通滤波器及基于IBM 90 nm RF-CMOS工艺设计了24GHz宽带功率放大器。本文为采用CMOS工艺设计实现毫米波功率放大器奠定了良好的基础。
【学位授予单位】:杭州电子科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TN722.75

【引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
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