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射频毫米波集成电路中频率变换技术研究

陈志林  
【摘要】:伴随着无线技术的高速发展,射频毫米波频段的应用不断涌现,展现了巨大的市场潜力,因此在工业界和学术界都获得了巨大的关注。为了顺应系统小型化和集成化的发展趋势,射频毫米波集成电路,特别是采用低成本的硅基电路,是目前的研究热点。本文对射频毫米波收发机前端及其频率变换电路(混频器和倍频器)开展了深入的研究。主要研究内容分为以下四个部分:(一)高线性度宽带上混频器研究。为了改善传统上混频器的中频带宽和线性度性能,提出了一种结合共源级和共栅级结构的双路跨导级技术,并分析了其对于线性度和中频阻抗的提高作用。此外,还提出了一种基于变压器的四阶谐振电路实现宽带阻抗匹配。基于以上技术,采用65nm CMOS工艺设计了一款E波段上混频器,实现了18GHz和23GHz中频和射频带宽,以及2.14dBm的IP_(1dB);同时,也设计了一款应用于5G通信的上混频器,实现了5.5GHz和16GHz的中频和射频带宽,以及0.42dBm的OP_(1dB)。相对于近年来其他工作,该两款混频器均实现较优异的射频、中频带宽和较好的线性度。(二)毫米波高效率宽带二倍频器研究。为了提高毫米波倍频器的工作带宽、输出功率和效率,提出了两种宽带匹配电路和一种等效跨导增强技术。所提出的两种宽带匹配电路分别应用于输入和输出端口的阻抗匹配。此外,利用倍频级漏极电感和缓冲放大级源极电感构成变压器结构,并引入耦合增强技术,在不增加芯片尺寸的前提下提高了放大级的等效跨导,从而增强了倍频器的输出功率和效率。该二倍频器采用65nm CMOS工艺设计,实现工作带宽51-73GHz,最大转换增益0.8dB,最大输出功率和效率为5.7dBm和19.5%,在整个工作频带内输出功率大于2.8dBm,效率大于10%。(三)针对利用场效应管非线性的高次谐波倍频效率过低的问题,引入了一种基于自混频的高次谐波倍频技术。通过分析传统自混频结构倍频器直流失真、输出功率低和工作带宽受限的问题,提出了一种带峰化电感技术的基于变压器的自混频结构。通过在倍频级和混频级之间插入变压器,消除了直流失真,同时可以谐振掉级间的寄生电容提高带宽和输出功率。此外,在混频级的输出加入峰化电感可以进一步提升整个倍频器在高频时的输出功率,提升效率。进一步采用输入输出宽带匹配网络保证整个倍频器的宽带特性。基于以上技术,采用UMC 110nm CMOS工艺设计了一款K波段的超宽带三倍频器,其在7.2mW的功耗下,实现了17.7-29.7GHz 50.6%的相对带宽和15.2%的效率。(四)基于以上研究,本文进一步开展了应用于5G通信39GHz频段的多通道收发机系统的研究。针对5G多波束MIMO架构,提出了高集成度的CMOS多通道系统方案、多种电路提高技术以及高性能封装解决方案。采用65nm CMOS工艺,实现了一款集成两个变频通道、一个本振链路和一个SPI控制模块的收发机芯片。该收发机芯片是首个应用于39GHz频段的多通道芯片,并支持256QAM的调制方式,并成功应用于5G MIMO通信样机,实现了较好的外场测试性能。


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