毫米波带通滤波器及宽带开关设计

发布时间：2020-06-27 07:58

【摘要】：如今,随着人们对高速率通信及通信系统小型化、低功耗、低成本等指标的追求,无线通信系统不断朝着毫米波频段延伸。同时,随着集成工艺的不断进步和成熟,表现出价格低廉、功耗较低、集成度高及体积小等优点,其应用在射频领域备受青睐和关注。滤波器及开关在毫米波系统中具有选频的作用,是接收机前端重要的模块。因此,本论文基于集成电路工艺对毫米波频段的带通滤波器(BPF)和单刀单掷开关(SPST)开展了研究,确定了高性能带通滤波器和小型化宽带开关电路设计拓扑结构,并采用GaAs工艺和65nm CMOS工艺分别设计了单截面阶梯阻抗谐振结构的带通滤波器电路和基于π型拓扑结构的宽带开关电路。首先,对微带传输线及地平面理论进行分析,建立了微带线简化模型并通过仿真软件提取相关参数。同时介绍了射频领域中地平面对电路设计的影响并通过建模和电磁仿真技术进行验证。针对滤波器设计,论文在分析传统滤波器的理论基础上,具体阐述零点产生原理,并着重分析阶跃型传导传输线及短路开路枝节特性,为带通滤波器设计提供基础。然后,基于GaAs工艺,采用单截面阶梯阻抗谐振结构设计两款带通滤波器。第一款滤波器中心频率为140GHz,基于单截面阶梯阻抗谐振结构,从零点产生原理出发,利用构造谐振器的方法使其产生传输零点,其零点分别位于122GHz与177GHz。三维电磁场仿真结果表明,滤波器的通带范围为122-177GHz,在140GHz时的插入损耗为2d B,回波损耗为17d B。随后完成了第二款滤波器设计,其工作频率为50-80GHz,沿用了前一款滤波器的拓扑结构,并有效的利用了开路枝节在滤波器设计中的优点,即可以根据需要确定传输零点的具体位置,最终在36GHz与98GHz处实现。从电磁场仿真结果得到65GHz频率处插损为1d B,回波损耗为20d B。最后论文基于65nm CMOS工艺完成了两种宽带开关电路的设计。针对MOS管的特性,将其简化后的电路模型参数提取后与PDK模型对比,经验证后应用于开关电路设计中。第一款开关工作频率为DC-110GHz,在π型的拓扑结构上,同时并联三个栅宽比例为1:2:4的MOS管。此款电路已流片测试,测试结果中表明,当工作频率为0.5-67GHz时,插入损耗为0.13-1.3d B,隔离度为14.2-18d B,当工作频率为70-110GHz时,插入损耗为1.5-2.48d B,隔离度为19-22d B,芯片面积为340×280μm2,核心面积为26×109μm2,最终达到连续可变衰减效果。另一款开关频率范围是50-110GHz,采用并联单个MOS管结构,实现规定频段内的通路选择。三维电磁场仿真结果表明在工作频段内,插入损耗为0.05-1.1d B,隔离度25d B,回波损耗10d B,核心部分面积为64×105μm2。文章研究了毫米波MOS器件特性,对其进行了简化分析与验证。同时对毫米波电路设计方法进行了研究分析,最终本文完成了两个带通滤波器及两个宽带开关的设计。
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN713
【图文】：

毫米波,频段

可在此时发挥一定的优势，具体表现在其拥有丰富的频谱资源及统中基于毫米波频段的研究在射频微电子领域逐渐成为焦点[1]。段在 30~300GHz 之间，波长范围为 1~10mm，其频段非常丰富[毫米波频段划分为 Q、V、W、D 波段，如表 1-1 所示。表 1-1 毫米波频段分配情况波段频率(GHz)Q 33~50V 50~75W 75~110D 110~170应用极其广泛，覆盖到各个行业领域，主要有军事领域中雷达的的普及，医学领域内器材的使用以及无线通信领域信息数据的传输延伸到了卫星通信系统中，作为宇宙空间的探测技术[3]。

框图,射频系统,框图

dd(V) 2.5 1.8 1.3 1.2th(V) 0.46 0.42 0.34 0.3(GHz) 30 60 80 220ax(GHz) 40 80 120 250(mS/um) 0.3 0.4 0.6 1Ohm-um) 129 67 24 6列是本次课题研究时所使用的工艺参数，由表中数据可知，器件的尺以下结果： fmax提高，fT也提高，取得了更好的射频特性[4]。带通滤波器及开关的研究意义机前端的电路对接收机的性能起着关键性作用，所以带通滤波器和开。滤波器作为无线通信中具有频率响应的重要单元，在接收和发射系制镜像信号干扰等优点。其滤波功能的好坏直接影响整个系统的通信度的不失真是设计滤波器的宗旨，因此滤波器也成为各类无线模块的收发机中通常做信号的选择，决定信号的传输与截止。图 1.2 为滤波频系统框图。

【参考文献】