收藏本站
收藏 | 论文排版

微波毫米波单片集成电路设计技术研究

王维波  
【摘要】:随着微波单片集成电路技术的发展,毫米波MMIC芯片的制造加工技术日益成熟,由于毫米波具有分辨率高、带宽大等特点,已经逐渐在雷达探测、毫米波成像、精确制导、点对点局域通信、毫米波防撞雷达等军民领域得到大量应用。近年来,随着“大数据”、“人工智能”及移动互联网时代的来临,万物互联的智能化需求日益迫切,人类需要快速、实时地在任何地点能够处理海量的信息,传统的3G、4G移动通信技术的带宽瓶颈愈加凸显,因此,迫切需要更大带宽的移动通信技术来适应这种新技术的发展,然而,由于微波技术多年的发展,低频段频谱资源已经拥挤不堪,迅速衰竭,无线通信及设备技术不得不向毫米波及更高频段寻找资源,5G毫米波通信技术便应运而生,迅速成为当前工业界及学术界的研究热点。相比传统的通信技术,5G通信技术具有更高的调制带宽、更复杂的调制模式,因此对系统的线性度指标和EVM指标有着更高的要求,然而,由于毫米波芯片工作频率的提高,其噪声系数、线性度、相位噪声、效率等关键性能指标较低频出现明显的恶化,虽然毫米波工作可以在理论上提供丰富的带宽资源,但是器件及电路性能又会因为高频工作而形成不可避免的损失,使得毫米波通信用芯片的研发更为艰难。虽然毫米波MMIC芯片已经在不同领域得到应用,但是大多数芯片产品集中在传统的探测、雷达领域,尚未形成全面面向线性度、EVM、效率等通信系统关键指标兼顾的设计方法,加之高频电磁场耦合效应明显增加、电磁场仿真技术的精度恶化等原因,导致毫米波电路设计技术出现很多新的挑战,本文在这种背景下,通过仔细研究器件模型在高频出现的新情况,探索了毫米波高精度模型提取方法,面向毫米波通信系统的要求,研究不同功能电路的设计理论和方法,最终完成了LNA、PA、Mixer、Multiplier及VCO多种芯片的设计和实际验证,通过这些芯片的设计与制作,为5G毫米波通信电路设计探索了一些重要的思路方法。主要研究内容及研究成果分为以下几个方面:1.为了提高毫米波MMIC设计的精度和成功率,本文研究了毫米波器件模型提取技术。从分析器件模型在高频工作时的分布效应、寄生效应等方面开始,分析了器件模型在毫米波工作时的特点,研究了器件的自热效应、DC-AC色散效应,分布效应等几种高频效应以及电磁场仿真边界条件校准技术,分析了目前使用毫米波器件模型的主要误差来源,提出了一种栅宽、栅指数可以任意精确缩放的小信号模型提取技术,为后续的电路设计提供了很好的基础。2.研究了毫米波功率放大器的效率与线性度兼顾设计问题,通过分析高效率放大器设计中的谐波控制、低损耗匹配网络、有源动态偏置、及高线性“甜区”设计等几种关键技术,研究了器件谐波控制技术和线性度技术的关系及折中的设计方法,同时对功率放大器设计中最为重要的奇模振荡、杂散及分频、栅电流设计等问题进行了研究,最终利用“甜区”偏置和高效率谐波控制补偿结合的方法实现了线性度和高效率性能的折中设计,通过一种Ka波段平衡式功率放大器和一种W波段高功率放大器验证了设计方法的准确性,实现了毫米波通信发射系统关键芯片的设计技术研究。3.研究了毫米波VCO低相位噪声设计技术。通过分析相位噪声的形成机理和物理来源,对比不同形式拓扑结构的VCO电路,讨论了低相位噪声VCO设计的关键技术,通过负阻振荡方法研究了电路的起振和稳定条件对VCO设计的指导作用,详细研究了振荡器地相位噪声设计的偏置选择方法,归纳总结了互相锁定技术在低相位噪声VCO设计中的关键作用,最终通过制作Ka波段和W波段两种VCO MMIC,为高频通信系统的信号源开发做出了探索。4.为了提高毫米波混频器和倍频器的相位噪声、线性度等性能,研究了电路平衡性对电路线性度、相位噪声等性能指标的影响,总结了混频器和倍频器的相位噪声及非线性的来源,分析了巴伦、正交耦合器不平衡性对通信系统的相位噪声及线性度的影响机理,并提出了相应的设计改进方法;同时从二极管非线性模型,高性能混频二极管技术方面研究了限制无源混频器中工作带宽和性能的因素;分析了二极管饱和特性和IQ混频器镜像抑制度的关系,研究了混频器交调信号的产生机理和主要来源和线性化设计技术。最终参考这些理论设计了Ka波段管堆式双平衡混频器、W波段单平衡混频器、C波段宽带IQ混频器和V波段IQ混频器等多款混频器芯片;同时研究了毫米波倍频源的设计方法,通过分析不同电路拓扑的优缺点,分析了E类倍频、平衡式倍频、F类倍频等类型的设计方法,对倍频器及其缓冲放大器的设计要点进行了分析,最终实现了Ka波段高抑制度有源四倍频器芯片及完整的毫米波系统变频电路的设计方案。5.为了提高毫米波低噪声放大器的设计精度,研究了毫米波低噪声放大器的精确设计方法。从分析器件的噪声性能及不同噪声模型的区别入手,结合经典的两端口噪声理论,仔细分析了器件单指栅宽和栅指数的寄生、分布效应,研究了器件偏置点对噪声系数如何施加影响,最终提出了一种可以精确量化的低噪声设计放大器方法,分析得出了最佳单指栅宽和栅指数、最佳偏置工作点、最佳负反馈电感等条件的精确量化依据,同时根据理论分析并提出了面向宽带、窄带要求工作时低噪声放大器设计的设计流程,通过一款W波段低噪声放大器芯片验证了设计理论的正确性,为毫米波接收前端的设计打下了基础。本论文中通过研制几种典型的毫米波电路MMIC,对相关电路设计理论和方法进行了细致的探索,这些理论和方法具有一定的学术和工程价值,文中所有芯片的制作和研制均是基于南京电子器件研究所(NEDI)的化合物半导体工艺平台,其中多款产品已经大量在通信等装备中使用,解决了我国在毫米波雷达、通信领域中一些关键性元器件的国产化,为我国自主研发毫米波芯片做出了一定的探索。本论文主要有以下几种创新性研究成果:(1)提出了一种可有效提高毫米波器件模型精度,并在毫米波频段可实现精确缩放的分布式器件建模技术。研究了毫米波器件模型提取技术中的误差来源,通过对器件高频分布效应、交直流色散效应,以及等器件模型精度的分析,提出了无源校准结构设计和电磁场仿真误差修正方法。利用该模型,设计并制备出输出功率大于5W的3mm波段氮化镓功率放大器芯片,技术指标国际领先。(2)采用F类功率放大和“线性甜区”结合的方法,设计并制备了一种平衡式Ka波段高效高线性中功率放大器芯片。芯片具有附加效率高、线性度指标优良、对负载阻抗变化不敏感等优点,已经成功用于国内的军民电子领域。(3)提出了一种基于最小噪声系数、噪声电阻、器件尺寸等物理参数分析的毫米波低噪声放大器芯片的全局优化性设计方法,避免了传统低噪声电路设计经验引入的随意性,并设计出一种W波段平衡式低噪声芯片,实测结果表明噪声系数等性能良好。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前19条
1 疾风;GaAs毫米波电路将进入实用阶段[J];半导体技术;1983年03期
2 ;毫米波和低噪声放大器技术发展趋向[J];压电与声光;1971年03期
3 ;CDMA/FM低噪声放大器/混频器[J];国外电子元器件;2001年01期
4 ;S波段单片低噪声放大器与混频器[J];固体电子学研究与进展;1998年01期
5 阎毅,阎贵卿,黄际英;沙尘暴中毫米波衰减的计算机模拟研究[J];烟台大学学报(自然科学与工程版);1999年04期
6 吴万春,卢启堂;毫米波集成混频器的设计[J];通信学报;1988年06期
7 冯志成;;毫米波接收技术综述[J];无线电工程;1987年06期
8 胡驰,杨鸿生;短毫米波和亚毫米波接收机的发展现状[J];微波学报;1994年01期
9 樊勇,吴正德,唐小宏,殷世昌;W波段模拟通信研究[J];电子科技大学学报;2001年04期
10 曹逸庭;低噪声FET放大器及毫米波混频器测试[J];计量学报;1989年03期
11 龙恳;王亚领;陈兴;王奕;谭路垚;;基于深度学习的毫米波系统波束成形[J];电讯技术;2021年02期
12 樊勇,唐小宏,吴正德,殷世昌;适于电视广播的毫米波通信[J];电子科技大学学报;2001年05期
13 王东进;李敦复;;毫米波双调谐VCO[J];电波科学学报;1991年Z1期
14 刘志民;;毫米波应用和工艺发展趋势[J];电波与天线;1994年06期
15 盛柏桢;东芝公司研制30~60GHz毫米波HEMT[J];固体电子学研究与进展;1991年04期
16 唐学锋;王文骐;詹福春;徐亮;;CMOS蓝牙接收机前端的设计[J];微电子学;2006年02期
17 赵芳灿;;毫米波在长途通信中的应用[J];传输线技术;1982年04期
18 Paul F.Goldsmith;冯伯儒;;毫米波光学系统[J];应用光学;1991年03期
19 张迎春;;宽带高增益低噪声放大器[J];低温与超导;2007年03期
中国重要会议论文全文数据库 前20条
1 李羲之;刘淑贞;朱虹;郭芳敏;;毫米波准光学混频器的研制[A];1999年全国微波毫米波会议论文集(下册)[C];1999年
2 Jack Sun;;微波&毫米波測量頻譜分析仪R3172/R3182(Rev2.0)[A];21世纪中国电子仪器发展战略研讨会文集[C];2004年
3 ;中国电子科技集团公司第十研究所毫米波重点实验室[A];2005'全国微波毫米波会议论文集(第一册)[C];2006年
4 陈书义;尹仕;叶时良;;一种2.92型毫米波微带连接器的设计[A];2011年全国微波毫米波会议论文集(上册)[C];2011年
5 ;毫米波国家重点实验室简介[A];2010年全国电磁兼容会议论文集[C];2010年
6 薛良金;;毫米波系统中的集成电路[A];1999年全国微波毫米波会议论文集(下册)[C];1999年
7 段泽群;李春秀;宋亚梅;王琪贤;;微波毫米波低噪声源[A];2001年全国微波毫米波会议论文集[C];2001年
8 牛中奇;阎静;卢智远;邵旺田;杨芳;;毫米波生物学效应的一种机理[A];2001年全国微波毫米波会议论文集[C];2001年
9 董树义;周一平;;毫米波针炙初步探讨[A];1991年全国微波会议论文集(卷Ⅱ)[C];1991年
10 丁丁;龚克;陈重;;关于若干建筑材料的毫米波传播特性的初步实验研究[A];1997年全国微波会议论文集(上册)[C];1997年
11 董树义;兰星;;毫米波经络效应的反应扩散模型分析[A];1993年全国微波会议论文集(下册)[C];1993年
12 王亚鸣;朱建立;;收/发共用多通道毫米波系统中主要技术问题的研究[A];1993年全国微波会议论文集(下册)[C];1993年
13 曹志翔;王园;杨显清;;近程毫米波主动成像研究[A];第22届全国电磁兼容学术会议论文选[C];2012年
14 付伟;;毫米波无源干扰技术的发展现状[A];中国电子学会第七届学术年会论文集[C];2001年
15 李道京;郗莹;;毫米波成像技术的发展及其应用[A];第二届微波遥感技术研讨会摘要全集[C];2006年
16 毛军发;欧阳尚荣;吴林晟;;[A];2020年全国微波毫米波会议论文集(下册)[C];2020年
17 ;会议须知[A];2020年全国微波毫米波会议论文集(上册)[C];2020年
18 王磊;;微波毫米波集成电路的技术演变[A];2020年全国微波毫米波会议论文集(上册)[C];2020年
19 孔月婵;;毫米波与太赫兹固态器件新进展[A];2020年全国微波毫米波会议论文集(上册)[C];2020年
20 马凯学;;面向射频微波毫米波应用的CMOS SOI研究[A];2020年全国微波毫米波会议论文集(上册)[C];2020年
中国博士学位论文全文数据库 前20条
1 王维波;微波毫米波单片集成电路设计技术研究[D];东南大学;2019年
2 余振兴;CMOS工艺毫米波低噪放和混频器的研究与设计[D];东南大学;2015年
3 蒋证东;硅基微波毫米波放大器集成电路研究[D];电子科技大学;2019年
4 张慧;微波毫米波阵列成像关键技术研究[D];东南大学;2016年
5 陈志林;射频毫米波集成电路中频率变换技术研究[D];电子科技大学;2019年
6 张胜洲;毫米波单片集成混频器的设计及其小型化[D];浙江大学;2016年
7 马铭磷;电流模式射频接收机前端设计[D];湖南大学;2011年
8 朱书进;被动毫米波图像处理关键技术研究[D];南京理工大学;2018年
9 唐守龙;高性能CMOS混频器设计技术研究[D];东南大学;2005年
10 胡建全;多倍频程超宽带接收机芯片关键技术研究[D];电子科技大学;2020年
11 杨琳;高性能毫米波MMIC放大器的设计研究[D];西安电子科技大学;2019年
12 李芹;无生产线模式微波单片集成电路设计与实验研究[D];东南大学;2005年
13 赵榈;低功耗高线性射频低噪声放大器与混频器的研究与设计[D];湖南大学;2016年
14 孙明远;低功耗射频接收机前端关键模块的技术研究[D];电子科技大学;2018年
15 朱莉;短毫米波近程主被动阵列探测及成像技术研究[D];南京理工大学;2010年
16 李超;毫米波集成接收前端的研究[D];电子科技大学;2001年
17 郭本青;CMOS有源混频器噪声及射频接收前端关键技术研究[D];电子科技大学;2011年
18 杨俊越(DUONG Tuan Viet);微波毫米波高性能无源元件的研究[D];东南大学;2016年
19 张楷晨;0.1-GHz~11-GHz CMOS射频接收器关键电路设计研究[D];复旦大学;2014年
20 聂星河;微波毫米波集成元器件与电路研究[D];东南大学;2019年
中国硕士学位论文全文数据库 前20条
1 金梦;硅基毫米波低噪声放大器和混频器的研究与设计[D];杭州电子科技大学;2017年
2 张小亮;双频低噪声放大器和谐波自振荡混频器的研究与设计[D];北京邮电大学;2016年
3 张迪;接收机前端低噪声放大器与混频器的设计[D];沈阳工业大学;2008年
4 赵婧;3mm波段接收前端设计[D];电子科技大学;2014年
5 孙琳琳;毫米波星间链路研究[D];南京理工大学;2003年
6 王亚文;应用于超宽带系统的射频接收前端的研究与设计[D];东南大学;2015年
7 王雪冰;面向毫米波通信的低噪放与混频器设计[D];电子科技大学;2020年
8 韩碧秋;K波段雷达前端的研制[D];东南大学;2017年
9 任东明;超高速毫米波宽带无线传输技术研究及实现[D];东南大学;2019年
10 曹志翔;近程毫米波主动成像系统研究[D];电子科技大学;2012年
11 赵岚;毫米波凝视成像机理研究[D];中国科学技术大学;2009年
12 刘志伟;毫米波定距射频接收及发射电路设计[D];南京理工大学;2019年
13 陈阳;硅基CMOS毫米波开关混频器的研究与设计[D];电子科技大学;2015年
14 施鳕凇;Q波段混频器及关键技术的研究[D];东南大学;2019年
15 于庆伟;光生微波毫米波技术及其相位噪声研究[D];西安电子科技大学;2014年
16 黎入玮;微波毫米波变幅与调制MMIC电路研究[D];电子科技大学;2018年
17 范哲;硅基微波毫米波开关和功率集成电路研究[D];电子科技大学;2018年
18 谢昌梓;微波毫米波混频与放大MMIC电路研究[D];电子科技大学;2018年
19 常全付;毫米波凝视成像的技术研究[D];电子科技大学;2016年
20 宋文彬;毫米波通信机发射前端设计与实现[D];电子科技大学;2011年
中国重要报纸全文数据库 前20条
1 本报记者 齐旭;毫米波市场空间巨大 产业链有待成熟[N];中国电子报;2020年
2 记者 王燕宁通讯员 郑立琪;毫米波:“波”及精彩生活[N];科技日报;2008年
3 爱立信中国;毫米波发展驶入快车道[N];电子报;2021年
4 本报记者 党博文;毫米波:5G“物美价廉”之选?[N];通信产业报;2021年
5 本报记者 叶菁;物美价廉?属于5G毫米波的舞台已经启幕[N];通信信息报;2021年
6 GSMA大中华区总裁 斯寒;5G毫米波准备就绪[N];中国电子报;2021年
7 吕晓君;软银联合高通在日本推出5G毫米波服务[N];人民邮电;2021年
8 记者 赵天宇;5G手机毫米波会导致眼睛失明?[N];北京科技报;2020年
9 芯闻;毫米波商用步伐加快,助力5G潜能全释放[N];中国电子报;2020年
10 那什;毫米波加速商用,助5G释放潜能[N];人民邮电;2020年
11 本报记者 高超;为5G毫米波商用蓄力[N];通信产业报;2020年
12 本报记者 康嘉林;高通,让毫米波真正工作[N];通信产业报;2017年
13 本报记者 马爱平;5G毫米波挑起智慧建筑大梁[N];科技日报;2020年
14 本报记者 张宣 葛灵丹;5G毫米波将“霸屏”,触觉互联网还有多远[N];新华日报;2021年
15 本报记者 张心怡;毫米波将驱动5000亿美元GDP 全产业加速商用布局[N];中国电子报;2020年
16 记者 王宙洁;毫米波:塑造“速度工厂”的未来[N];上海证券报;2015年
17 张旦昕 邵逸;治疗恶性肿瘤有了新武器[N];新华每日电讯;2000年
18 本报记者 齐旭;5G向高频扩展 毫米波点燃商用之火[N];中国电子报;2021年
19 本报记者 刘晶;一体化芯片是5G毫米波终端实现必经之路[N];中国电子报;2018年
20 ;毫米波国家重点实验室[N];科技日报;2000年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978