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单片集成射频微波功率放大器及开关的设计研究

王肖莹  
【摘要】:无线通信是现代社会的重要组成部分,近年来,随着商用通信和各种民用应用的高速发展,传输信息量不断扩大,各行业对无线通信系统的性能要求不断提高。而传统无线电频谱低端波段趋于饱和,可用带宽太窄,民用通信开始向高端频段发展,如Ku、K、Ka甚至Q、U、V波段。其中,单片微波集成电路(MMIC)以其小型紧凑、稳定性好、抗干扰能力强、批量生产、成本低及产品性能一致性好等特点,成为高性能无线系统设计制造最具吸引力的选择。 在无线通信收发机系统中,功率放大器和开关是其关键器件。对于功率放大器,国内的MMIC功率放大器研究很多集中在较低频段,在较低频段输出功率较高,而在微波较高频段,研究很少并且性能不高。本论文设计研究的Ka波段高功率高增益MMIC功率放大器芯片利用0.15μm GaInAs pHEMT功率工艺线,采用模块化设计,其输出匹配合成网络除了综合了匹配网络、合成网络、偏置网络外,还具有一定的谐波抑制功能,芯片输入输出采用Lange耦合器,具有较好的端口匹配度。采用合理的版图布局,给出了功率放大器的版图电磁场仿真结果,流片并进行了在片测试,其性能达到国际水平,在国内高功率高增益毫米波MMIC功率放大器的研究领域处于较高水平,对于国内下一代毫米波无线通信和装备现代化具有现实意义。本论文还设计研究了一块Ka波段中等功率MMIC功率放大器芯片,采用两级级联结构,保证一定的输出功率、增益的同时具有较高的效率。 在无线通信的收发机中,高性能的开关用于发射通路和接收通路信号的选择,其插入损耗、功率容量等性能直接制约着整个系统的输出功率、噪声系数等性能。在现在无所不在的移动电话通信中,特别是如今的3G、4G应用,收发机需要进行多种模式多个频段的选择,因而高性能的单刀多掷开关必不可少。本论文采用0.5μm GaAs pHEMT工艺设计了应用于3G多模手机收发机中的低频单刀九掷(SP9T)开关。对其拓扑结构进行创新,提高了收发口间的隔离度,并提出提高导通控制电压的方法来增加开关的功率容量,减小非线性。对于高频无线通信收发机的开关应用,本论文讨论分析了寄生效应对高频开关性能的影响,采用0.15μm GaInAs pHEMT工艺线设计了ka波段单刀双掷(SPDT)开关,结构中采用在晶体管栅源、栅漏间并联电容的并联谐振法来提高开关隔离度。文中给出了SP9T开关的测试结果,性能优良,SPDT开关已成功流片。 此外,本论文还对无线通信系统收发机中的其他部件进行了设计研究,包括基于0.13μm SiGe BiCMOS工艺的单级超宽带LNA、两级超宽带LNA、宽带阻性混频器。文中均给出了这些MMIC电路的电磁场仿真结果,并对单级超宽带LNA进行了在片测试,对其测试结果与仿真结果进行了对比和分析。


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