基于压控振荡器和倍频器技术的毫米波信号源设计
发布时间：2021-01-18 15:43
随着科学技术的发展,近年来射频收发机系统对成本、功耗、集成度的要求越来越高,并且随着雷达、医疗等领域的应用也越来越普及,频段已经延伸至毫米波/太赫兹,对信号源的指标要求也有了更高的标准。因此在毫米波/太赫兹频段上设计出一个高纯度、宽带、高稳定度的信号源是当前一个重要研究方向。本文介绍了毫米波频段的研究背景与意义,阐述了信号源技术以及近年来国内外关于毫米波信号源的研究现状,分析了压控振荡器和倍频器的理论知识和实现电路振荡与倍频的几种常见方法,以及设计时所遇到的难题。其中对无源器件包括片上螺旋电感,微带线,共面波导,巴伦进行了分析与电磁仿真。本文基于IHP 130nm SiGe BiCMOS工艺设计出了两款毫米波信号源电路,第一款为:基于压控振荡器技术的140GHz正交压控振荡器毫米波信号源;第二款为:基于倍频器技术的220GHz毫米波信号源。对于基于压控振荡器技术的毫米波信号源,设计采用两个差分Colpitts结构压控振荡器单元,通过共模点超谐波耦合技术使振荡器产生正交信号,并提出了毫米波正交信号相位误差的测试方法。电路仿真结果表明:振荡器调谐范围覆盖133GHz-150GHz,相对调谐...
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基督教多普勒集成雷达传感器实验室和约翰内斯·开普勒大学设计的毫米波信号源2014年，新加坡南洋理工大学的YangShang,HaoYu,PengLi等人基于65nm
杭州电子科技大学硕士学位论文3图1.2基督教多普勒集成雷达传感器实验室和约翰内斯·开普勒大学设计的毫米波信号源2014年，新加坡南洋理工大学的YangShang,HaoYu,PengLi等人基于65nmCMOS工艺通过运用零相位耦合振荡器网络实现了一个140GHz高输出功率、高效率的注入锁定毫米波信号源。每个振荡器单元均由70GHz零相位偏移和0.4dB损耗的叉指耦合器设计，通过push-push倍频器进一步倍频至140GHz。在每个振荡单元频率133.5GHz下，电路调谐范围为9.7%，输出功率为3.5mW，功率效率为2.4%，功率密度为26.9mW/mm2，对应的芯片面积为0.13mm2，如图1.3所示[19]。图1.3新加坡南洋理工大学设计的毫米波信号源2015年，韩国大田市科学技术高级研究所的HyunjiKoo,Choul-YoungKim等人基于65nmCMOS工艺通过运用Push-Push变压器实现了一款高效率和宽调谐范围的压控振荡器，电路的供电电压为1.2V，振荡频率239GHz，输出功率大小为-4.8dBm，转换效率为1.45%，振荡器调谐范围为12.5%，在10MHz频偏处，相位噪声大小为-110dBc/Hz，如图1.4所示[20]。
杭州电子科技大学硕士学位论文4图1.4韩国大田市科学技术高级研究所设计的压控振荡器2015年，英特尔公司移动无线集团的NitzanOz,EmanuelCohen基于28nmCMOS工艺设计了一款频率覆盖范围在105GHz-130GHz，用于F波段频率的高功率二倍频器，电路采用1.1V低压工艺设计。为缩小倍频尺寸，他们提出了一种缩短输入网络中二次谐波并平衡基频输入巴伦的新方法，倍频器在120GHz时的峰值输出功率为4dBm，偏置电压为0V时效率为18％，最大倍频增益为-2.2dB，直流功耗仅为14mW，芯片占用的尺寸为0.03mm2。该设计是通过运行完整的EM仿真和元件提取实现的，从而获得出色的测量模拟拟合，如图1.5所示[21]。图1.5英特尔公司移动无线集团设计的用于F波段频率的高功率二倍频器2016年，美国伦斯勒理工学院的SriramMuralidharan,KefeiWu,MonaHella基于130nmSiGeBiCMOS工艺提出了一种放大器-倍频链，倍频器单元输入端使用二次谐波反射器以减少转换损耗。在输出频率204GHz处最大输出功率为5dBm，输出频率为165GHz-230GHz，3-dB带宽覆盖65GHz，相对带宽为32.5%，直流功耗为0.38W，该芯片大小为0.74×0.38mm2，如图1.6所示[22]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种应用于K波段的宽锁定范围的CMOS注入锁定三倍频器[J]. 王炜,李巍. 复旦学报(自然科学版). 2015(06)
[2]国际半导体技术发展路线图（ITRS）2013版综述（1）[J]. 黄庆红. 中国集成电路. 2014(09)
[3]毫米波二倍频器的研究与设计[J]. 张倩,孙玲玲,文进才. 杭州电子科技大学学报. 2013(06)
[4]毫米波精确制导技术及其发展概况[J]. 吕海涛. 飞航导弹. 2010(05)
[5]微波倍频器的发展与设计[J]. 朱志勇,王积勤. 制导与引信. 2003(03)
博士论文
[1]电感电容压控振荡器[D]. 唐长文.复旦大学 2004
硕士论文
[1]K波段六次倍频滤波多功能MMIC的研究[D]. 王任远.电子科技大学 2018
[2]毫米波倍频器研究与设计[D]. 姜文杰.杭州电子科技大学 2018
[3]基于CMOS的毫米波倍频器研究与设计[D]. 吕翔宇.杭州电子科技大学 2018
[4]基于CMOS工艺的毫米波宽带混频器设计[D]. 王龙.杭州电子科技大学 2018
[5]3mm波段倍频器与谐波混频器[D]. 明宇.电子科技大学 2013
[6]Ka全频段四倍频器的研制[D]. 关华平.电子科技大学 2007
本文编号：2985207
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基督教多普勒集成雷达传感器实验室和约翰内斯·开普勒大学设计的毫米波信号源2014年，新加坡南洋理工大学的YangShang,HaoYu,PengLi等人基于65nm
杭州电子科技大学硕士学位论文3图1.2基督教多普勒集成雷达传感器实验室和约翰内斯·开普勒大学设计的毫米波信号源2014年，新加坡南洋理工大学的YangShang,HaoYu,PengLi等人基于65nmCMOS工艺通过运用零相位耦合振荡器网络实现了一个140GHz高输出功率、高效率的注入锁定毫米波信号源。每个振荡器单元均由70GHz零相位偏移和0.4dB损耗的叉指耦合器设计，通过push-push倍频器进一步倍频至140GHz。在每个振荡单元频率133.5GHz下，电路调谐范围为9.7%，输出功率为3.5mW，功率效率为2.4%，功率密度为26.9mW/mm2，对应的芯片面积为0.13mm2，如图1.3所示[19]。图1.3新加坡南洋理工大学设计的毫米波信号源2015年，韩国大田市科学技术高级研究所的HyunjiKoo,Choul-YoungKim等人基于65nmCMOS工艺通过运用Push-Push变压器实现了一款高效率和宽调谐范围的压控振荡器，电路的供电电压为1.2V，振荡频率239GHz，输出功率大小为-4.8dBm，转换效率为1.45%，振荡器调谐范围为12.5%，在10MHz频偏处，相位噪声大小为-110dBc/Hz，如图1.4所示[20]。
杭州电子科技大学硕士学位论文4图1.4韩国大田市科学技术高级研究所设计的压控振荡器2015年，英特尔公司移动无线集团的NitzanOz,EmanuelCohen基于28nmCMOS工艺设计了一款频率覆盖范围在105GHz-130GHz，用于F波段频率的高功率二倍频器，电路采用1.1V低压工艺设计。为缩小倍频尺寸，他们提出了一种缩短输入网络中二次谐波并平衡基频输入巴伦的新方法，倍频器在120GHz时的峰值输出功率为4dBm，偏置电压为0V时效率为18％，最大倍频增益为-2.2dB，直流功耗仅为14mW，芯片占用的尺寸为0.03mm2。该设计是通过运行完整的EM仿真和元件提取实现的，从而获得出色的测量模拟拟合，如图1.5所示[21]。图1.5英特尔公司移动无线集团设计的用于F波段频率的高功率二倍频器2016年，美国伦斯勒理工学院的SriramMuralidharan,KefeiWu,MonaHella基于130nmSiGeBiCMOS工艺提出了一种放大器-倍频链，倍频器单元输入端使用二次谐波反射器以减少转换损耗。在输出频率204GHz处最大输出功率为5dBm，输出频率为165GHz-230GHz，3-dB带宽覆盖65GHz，相对带宽为32.5%，直流功耗为0.38W，该芯片大小为0.74×0.38mm2，如图1.6所示[22]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种应用于K波段的宽锁定范围的CMOS注入锁定三倍频器[J]. 王炜,李巍. 复旦学报(自然科学版). 2015(06)
[2]国际半导体技术发展路线图（ITRS）2013版综述（1）[J]. 黄庆红. 中国集成电路. 2014(09)
[3]毫米波二倍频器的研究与设计[J]. 张倩,孙玲玲,文进才. 杭州电子科技大学学报. 2013(06)
[4]毫米波精确制导技术及其发展概况[J]. 吕海涛. 飞航导弹. 2010(05)
[5]微波倍频器的发展与设计[J]. 朱志勇,王积勤. 制导与引信. 2003(03)
博士论文
[1]电感电容压控振荡器[D]. 唐长文.复旦大学 2004
硕士论文
[1]K波段六次倍频滤波多功能MMIC的研究[D]. 王任远.电子科技大学 2018
[2]毫米波倍频器研究与设计[D]. 姜文杰.杭州电子科技大学 2018
[3]基于CMOS的毫米波倍频器研究与设计[D]. 吕翔宇.杭州电子科技大学 2018
[4]基于CMOS工艺的毫米波宽带混频器设计[D]. 王龙.杭州电子科技大学 2018
[5]3mm波段倍频器与谐波混频器[D]. 明宇.电子科技大学 2013
[6]Ka全频段四倍频器的研制[D]. 关华平.电子科技大学 2007
本文编号：2985207
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