毫米波倍频器的研究与设计

发布时间：2020-11-06 00:57

　　 随着通信系统的工作频率不断向毫米波亚毫米波频段的发展，要获得稳定性高和相噪特性良好的毫米波源变得至关重要。但是，直接获得频率很高的频率源是比较困难的，而通过倍频器可以基于频率较低的信号源实现非常高的频率源输出。倍频器的输出是基波频率的谐波频率，这样可以降低输入信号的频率，在工艺等各方面比较成熟的低频段进行。毫米波倍频器是毫米波系统中常用的部件，它是频率合成器和倍频链等毫米波设备的关键模块。近年来，倍频器也越来越多的用在毫米波超外差接收机的本振源中。随着倍频器的应用日益广泛，国内外对倍频器的研究也越来越多。鉴于此，本文的主要研究内容是基于先进的GaAs工艺和成熟的硅CMOS工艺分别设计了两种工作于60GHz频段的二倍频器。 本文对毫米波倍频器的国内外研究现状进行了调研，综述了毫米波倍频器的发展及设计，比较了各种常见拓扑结构的优劣，并以此为基础确定了本文基本的电路拓扑结构；同时分析了有源倍频理论；然后利用ADS Momentum和HFSS对传输线、电感等无源器件进行了电磁场仿真及优化，为倍频器的版图设计提供了基础。 基于TSMC90nm CMOS工艺，本文设计了一种低功率超紧凑的毫米波二倍频器。这个倍频器采用有源晶体管来产生输入基频信号的谐波，并在输出端抑制无用的信号。该倍频器的优点是转换损耗低、结构紧凑、芯片面积小、电路拓扑结构十分简单。经过设计规则检查（DRC）、版图与电路图一致性检查（LVS）之后，当输入频率在27～33GHz范围内时，电路后仿真结果为：转换损耗小于5dB，基波抑制超过25dB。栅极偏置电压为0.45V和漏极偏置电压为1.2V时，倍频器的总直流功耗是9mW。芯片面积（包含pad）为0.27mm2。 基于GaAs工艺，本文设计了一种输出频率为54～66GHz的有源单端毫米波二倍频器。对整体电路进行了全波仿真，并实现了良好的性能。整体电路的全波仿真结果为：在工作频带27～33GHz内，输出功率大于0dBm，变频损耗小于5dB，基波抑制大于15dB，三次谐波抑制大于25dB。芯片总面积（含pad）为0.529mm2。
【学位单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2014
【中图分类】：TN771
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 毫米波特性及应用
    1.2 毫米波集成电路
        1.2.1 硅基毫米波集成电路
        1.2.2 砷化镓基毫米波集成电路
    1.3 倍频器的研究目的与意义
    1.4 倍频器的国内外现状
        1.4.1 国外现状
        1.4.2 国内现状
    1.5 本论文的主要内容及安排
第2章 倍频器设计基础
    2.1 倍频器概述
        2.1.1 倍频器的特点及应用
        2.1.2 倍频器的分类
    2.2 倍频器的主要性能指标
    2.3 二极管倍频器简介
        2.3.1 变容二极管倍频器
        2.3.2 阶跃二极管倍频器
    2.4 有源倍频器
第3章 无源器件
    3.1 传输线
        3.1.1 传输线的应用
        3.1.2 传输线理论
        3.1.3 常用传输线
        3.1.4 传输线的拐角特性
    3.2 电感
        3.2.1 平面螺旋电感
        3.2.2 主要性能参数
        3.2.3 电感的设计考虑
        3.2.4 HFSS 软件电磁仿真
    3.3 电容
    3.4 电阻
    3.5 本章小结
第4章 基于硅 CMOS 的 60 GHz 二倍频器设计
    4.1 器件特性
    4.2 电路结构
        4.2.1 静态工作点设计
        4.2.2 匹配电路的设计
        4.2.3 稳定性
    4.3 版图设计考虑
    4.4 仿真及优化
    4.5 本章小结
第5章 基于 GaAs 工艺的 60 GHz 二倍频器设计
    5.1 电路原理
    5.2 直流偏置网路
    5.3 稳定性
    5.4 匹配电路
    5.5 关键技术
    5.6 电磁场仿真及优化
        5.6.1 电磁场仿真
        5.6.2 电路优化
    5.7 电路测试
    5.8 本章总结
第6章 总结和展望
    6.1 工作总结
    6.2 展望
致谢
参考文献
附录

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 ;R&S推出业界首款内置衰减器的新型倍频器SMZ[J];电信网技术;2010年11期

2 刘庆伍;;低噪声锁相振荡倍频器[J];电讯技术;1976年03期

3 郑连溪;;从10到30GHZ的混合集成电路倍频器[J];无线电工程;1980年04期

4 袁其禄;MESFET倍频器的最佳设计[J];电讯技术;1994年04期

5 李成盛，胡林俊;一种效率高、易调试的倍频器[J];成都气象学院学报;1996年Z1期

6 ;R&S推出内置衰减器的新型倍频器SMZ[J];电子测试;2010年11期

7 王亚鸣;;C波段双栅砷化镓场效应管三倍频器的研制[J];电讯技术;1988年02期

8 刘坚,张广宇,陈大龙;超宽带微波倍频器[J];无线电工程;2003年03期

9 杨晓辉,曹卫平,李海玲,姜兴;S波段三次倍频器的CAD设计[J];桂林电子工业学院学报;2004年01期

10 汪诚武;C波段小功率同轴高次倍频器的研制[J];电讯技术;1980年02期

相关博士学位论文 前10条

1 钟富群;固态太赫兹前端关键技术研究[D];电子科技大学;2012年

2 李鸣;毫米波频率步进雷达前端关键技术研究[D];南京理工大学;2007年

3 张涛;锁相环频率合成器建模、设计与实现[D];华中科技大学;2006年

4 赵明华;雪崩器件非线性效应及高次倍频机理研究[D];电子科技大学;2009年

5 张多利;基于功能信息的验证工程学及若干验证技术研究[D];合肥工业大学;2005年

6 佘世刚;高精度K频段星间微波测距技术研究[D];兰州大学;2008年

7 李超;毫米波集成接收前端的研究[D];电子科技大学;2001年

8 杨自强;Ka频段接收机部件单元单片集成电路设计[D];电子科技大学;2008年

9 刘宇;Ka频段收发信机单元电路单片集成电路研究[D];电子科技大学;2009年

10 喻梦霞;毫米波引信前端收发组件[D];电子科技大学;2006年

相关硕士学位论文 前10条

1 王凯;X波段倍频器研究与设计[D];电子科技大学;2010年

2 刘雪莉;100-110GHz倍频器的研制[D];电子科技大学;2012年

3 陈双武;X波段100次倍频器的设计与研究[D];电子科技大学;2013年

4 邱小川;V波段倍频器的设计[D];南京理工大学;2014年

5 张倩;毫米波倍频器的研究与设计[D];杭州电子科技大学;2014年

6 张士熙;太赫兹高效倍频技术研究[D];电子科技大学;2011年

7 晏志祥;W波段高效倍频技术研究[D];电子科技大学;2011年

8 董俊;W波段检波器与倍频器研究[D];电子科技大学;2011年

9 李浩;亚毫米波倍频技术研究[D];电子科技大学;2013年

10 缪丽;0.14THZ倍频技术研究[D];西南交通大学;2012年

本文编号：2872439