基于CMOS的毫米波倍频器研究与设计

发布时间：2020-08-12 20:49

【摘要】：目前,毫米波技术被广泛地应用于通信系统、雷达系统、射电天文学及太空无线通信等领域。频率稳定、性能优良、尺寸较小的毫米波信号源作为这些领域应用中必不可少的模块,其设计变得尤为重要。以低频压控振荡器(VCO)为信号产生模块,通过倍频器扩频方式设计的毫米波信号源,因其设计灵活度大、容易克服工艺限制问题,且其性能不弱于以基波VCO为信号产生模块设计的毫米波信号源而备受青睐。论文重点研究了倍频器电路的设计方法,完成了三款基于65nm CMOS工艺的倍频器,其中包括一款输出频率为36GHz至60GHz的宽带三倍频器,一款输出频率为260GHz至300GHz的二倍频器和一款输出频率为260GHz至300GHz四倍频器。本文的主要研究内容及贡献如下:(1)提出了一种分布式结构的宽带三倍频器,并通过右手/左手人工传输线实现了宽带匹配及谐波抑制,所设计的三倍频器输出信号频率在36~60GHz之间,倍频增益在-17.6~-8.1d B之间,基波抑制大于20.8d Bc,二次谐波抑制大于10.2d Bc,该三倍频器适合应用于U波段宽带通信系统中。(2)以提升倍频器增益和带宽为目标,设计了一款性能优良的巴伦,并用于输出信号频率在260GHz至300GHz的push-push结构二倍频器,该二倍频器实现了优良的性能。其倍频增益在-12.11~-11.35d B之间,杂波抑制比大于19d Bc。(3)设计了一款四倍频器,将V波段信号扩频至260GHz至300GHz。该电路的工作频率大于工艺库中晶体管的截止频率,为实现受工艺限制的毫米波信号源奠定了良好的基础。通过优化倍频器中的晶体管参数、偏置条件以及电路匹配使用的无源器件,该倍频器在输出260GHz至300GHz的频段范围内,倍频增益大于-20.5d B。本文最后总结了毫米波倍频器的设计方法,并以提高倍频器的倍频增益和杂波抑制能力为目标,对文中设计的几款倍频器提出了一些改进方案。
【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】：TN771
【图文】：

二倍频,工业大学

OUTbV图 1.5 美国加州大学 62~90GHz 二倍频器7 年，日本东京工业大学的 Ibrahim Abdo，Korkut Kaan Tokgoz，Takuya Fuji了一款基于 65nm CMOS 工艺的二倍频器[12]，输出信号频率在 100~123G器的整体结构如图 1.6 所示，在输出端级联了两级缓冲器用于提高谐波抑在功率为-8dBm 输入信号的驱动下，二倍频器达到 5.5dBm 的饱和输出功为 17.2dB，基波抑制比大于 60dBc，整体电路的直流功耗为 116mW。

三倍频器,特拉维夫,以色列,大学

W-banOutpuDD,1VKa-bandInputbiasV图 1.11 美国加州大学 85~95.2 GHz 三倍频器列特拉维夫大学 Nadav Mazor，Eran Socher 等人研究设计三倍频器[19]，输出信号频率在 43~79GHz 之间，相对带版图如图 1.12 所示，分布式电路中处于深饱和区的共源它们之间以差分的结构相连来抑制偶次谐波信号。该电制在输出信号频率范围内都大于 10dBc，芯片面积为

波形,波形,漏极电流,次谐波

图 2.4 理想 FET 倍频器电压和电流波形.4 为理想的场效应晶体管倍频器电压和电流波形图，因为输出端的谐振电信号的 n 次谐波，而其他谐波的电压分量为 0，因此漏极电压 ( )dV t 是一个。为了提高输出功率，漏极电压 ( )dV t 的取值需在maxV 和minV 之间，漏极电压的一半。漏极电流 i(t)的最大值为maxI ，电流波形的持续时间为 t0（t0≤T的周期）。栅极电压 ( )gV t的取值在,max2gg gV V和g,maxV之间。栅极的偏置电压gV在阈值电压tV 附近，这样可以利用晶体管的夹断效应使峰脉冲电流，此时的漏极电流 i(t)中包含丰富的各次谐波分量，i(t)通过傅表示成包含直流分量、基波分量以及各次谐波分量的余弦项：0 1 2 3( ) cos cos 2 cos 3 ......i i ii t I I t I t I t ≥1 时，漏极电流 i(t)中各次谐波的系数是0 0max204 cos( / )1 (2 / )nt n t TI IT n t T 示 n 次谐波的漏极电流，倍频器的主要性能指标倍频效率跟成正比，当

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