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CMOS毫米波雷达收发芯片关键模块的研究与设计

陈鹏伟  
【摘要】:现代社会智能化进程的不断发展,无人驾驶已经成为汽车行业变革的巨大浪潮,而汽车雷达对提高无人驾驶的稳定性和安全性起着重要作用。毫米波雷达以其体积小、空间分辨率高、穿透性和抗干扰能力强的特点逐渐成为汽车雷达研发的关键方向。与此同时,随着半导体制造技术的发展,CMOS的特征频率和器件性能不断提高,这使低成本、高稳定性的毫米波汽车雷达芯片的设计成为可能。本文的主要工作是针对CMOS毫米波中近程雷达(24GHz)和远程雷达(77GHz)收发机芯片的关键模块—功率放大器(PA)和低噪声放大器(LNA)进行了研究。论文首先探讨了毫米波功率放大器的理论知识,包括PA常用的设计方法和性能指标,并且着重对比了毫米波CMOS功率放大器几种经典拓扑结构。高输出功率的功率放大器保证了毫米波汽车雷达足够的探测距离。所以本文采用变压器功率合成的方式分别设计了 K波段两路功率放大器和E波段四路功率放大器,有效简化了偏置及匹配网络,并保证了晶体管不发生击穿时的高输出电压摆幅和功率。基于GSMC 0.13μm CMOS工艺的K波段功率放大器采用带有匹配网络和偏置抽头的变压器,降低了匹配网络的复杂度,提高了功率放大器的性能,仿真结果显示,该功率放大器在工作频率24.5GHz处,饱和输出功率为17.3dBm,增益为27.5dB,功率附加效率为13%,输出1dB压缩点为12.5dBm。基于TSMC 65nm CMOS工艺的E波段功率放大器,采用差分电容中和技术和多频点叠加阻抗匹配技术,并利用变压器进行功率合成和阻抗匹配,有效提升了频带宽度和输出功率,仿真结果显示,该功率放大器在中心工作频率79GHz处,饱和输出功率为16.5dBm,增益为20.5dB,功率附加效率为16.5%,输出1dB压缩点为12.7dBm。然后对于毫米波低噪声放大器,本文讨论了包括噪声来源、性能指标、典型放大器结构等基础理论。针对高频共源共栅放大器,为了改善高频时的寄生效应所引起的增益和噪声恶化现象,本文在共源共栅放大器级间引入了一个补偿电感。此外,为了弱化低噪声放大器设计过程中功率匹配和噪声匹配的矛盾,本文输入级共源放大器中引入了源级负反馈电感,改善了输入端的回波损耗和噪声性能。根据以上分析和讨论,本文基于GSMC 0.13μm CMOS设计了一款K波段低噪声放大器,仿真结果显示,该放大器在工作频率24.5GHz处,噪声系数为4.6dB,增益为27dB,输入1dB压缩点在-32.7dBm。基于TSMC 65nm CMOS工艺一款E波段低噪声放大器,该放大器在工作频率79GHz处的噪声系数为7.1dB,增益为22dB,输入1dB压缩点在-23dBm。本文较为全面的探讨和总结了毫米波PA和LNA的设计理论,基于GSMC 0.13μm CMOS工艺设计了 K波段单路功率放大器、K波段变压器耦合伪差分功率放大器和K波段低噪声功率放大器,基于TSMC 65nm CMOS工艺设计了 E波段4路高功率的功率放大器和E波段低噪声放大器。


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