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环形行波振荡器的优化设计和基于基片集成波导的耦合谐振器阵列分析

张华锋  
【摘要】: 本文研究内容主要分为两个部分。其中第一篇针对环形行波振荡器主要研究了其等效电路模型、电路参数优化以及如何对行波方向进行控制等。首先根据传输线理论和MOS管大信号电容模型,详细分析了环形行波振荡器(Rotary Traveling WaveOscillator,以下简称RTWO)的等效传输线电路模型,采用曲线拟合方法建立了等效传输线参数的正多项式函数形式,并进一步将振荡频率、起振条件、相位噪声和电路功耗等性能参数表示成设计变量的正多项式函数形式,从而将大规模电路参数优化问题归结为一个几何规划问题,可以采用凸规划解法进行全局的高效求解。基于几何规划的优化方法与已有的二分迭代优化方法相比,优化效率得到大大提高。低功耗实验表明,对于振荡频率小于12GHz的设计,采用本文的优化方法优化后的电路最大可以降低83.12%的直流功耗,并且得到的振荡信号波形更好。本文这部分最后还提出一种通过控制反相器中MOS管的上电时间,对RTWO中行波传输方向进行控制,以控制耦合振荡器之间的相位偏斜的方法。 第二篇针对目前60GHz前端集成电路输出功率低的问题,提出一种基于基片集成波导谐振器(Silicon Integrated Waveguide Resonator,以下简称SIWR)的耦合谐振器阵列。这种谐振器将若干个λ/4传输线驻波谐振器和SIWR耦合起来,形成一个谐振器阵列,若将其应用到60GHz振荡器中,可以将若干个λ/4驻波振荡器的输出功率合成起来,实现瓦级功率输出。这种谐振器阵列具有网状结构特征,可以增加系统的鲁棒性。SIWR和λ/4差分传输线谐振器,都可在封装层面上实现,与硅基片上提供负阻的有源电路的制作分离,因而提高了芯片的利用率,降低成本。其中λ/4差分传输线谐振器采用封装中的通孔实现,可以大大提高谐振器的Q值。文章这部分首先详细分析了λ/4通孔传输线谐振器和SIWR的工作原理和设计方法,给出相应实例和仿真结果;然后根据λ/4传输线谐振器和SIWR场分布的特点,对二者之间的几种不同耦合方案进行研究,并通过三维电磁场仿真验证了方案的可行性。


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