基于SiGe BiCMOS工艺的W波段谐波混频器芯片设计

发布时间：2017-07-17 06:00

  本文关键词：基于SiGe BiCMOS工艺的W波段谐波混频器芯片设计

  更多相关文章： W波段 SiGe BiCMOS 谐波混频器 巴伦

【摘要】：近年来,w波段成为毫米波通讯、成像雷达等方面应用的重要频段,W波段谐波混频器能使所需的本振信号降为射频频率的1/2、1/3或更小,可以大大改善W波段应用的成本和研制难度。因此设计性能优良、可靠性高的谐波混频器芯片具有很高的实用价值。本文采用0.13μm SiGe BiCMOS工艺设计W波段谐波混频器芯片。根据谐波混频原理和设计指标的要求,对需要的无源巴伦进行了理论介绍和仿真设计,并完成了两款W波段混频器的设计：带有倍频器的三次谐波混频器和双平衡三次谐波混频器。用于W波段的巴伦采用多层耦合结构设计,用对称的S型结构以减小巴伦面积,得到的巴伦尺寸为150μm×220μm,带宽65-105GHz,插入损耗4.8dB,幅度不平衡度0.7dB,相位不平衡度10度。用于Ka波段的巴伦是平面结构,以螺旋形状实现,得到的巴伦尺寸十分紧凑,尺寸为120μm×340μm,带宽20～40GHz,插入损耗4.5dB,幅度不平衡度0.6dB,相位不平衡度11度。在进行各功能模块的理论分析和软件仿真后,完成了这两款混频器的版图绘制。在前一个混频器的设计中,采用三倍频器+放大器+Gilbert混频的结构,仿真结果显示,实现射频带宽81～91GHz,中频输出1GHz,变频损耗7.3-9.2dB,本振/中频的隔离度35dB,本振/射频的隔离度50dB,芯片面积为1290μm×865μm;对于后一个混频器的设计,用有源双平衡结构,仿真结果显示,实现射频带宽81～91GHz,中频输出1GHz,变频损耗7-8dB,本振/中频的隔离度35dB,本振/射频的隔离度45dB,芯片面积为1030μm×920μm,与前一个混频器相比,该混频器具有更小的尺寸和更优的温度稳定性。两款混频器仿真结果均优于指标要求,为流片奠定了基础。最后,对带有倍频器的三次谐波混频器进行了流片以及测试,测试结果表明,混频器的变频损耗为13.2-17dB,本振/中频的隔离度≥30dB,本振/射频的隔离度≥33dB。基本达到指标要求,还需要对该电路拓扑和设计做进一步地优化与摸索。本论文对W波段谐波混频器的研究有着重要的实践价值。
【关键词】：W波段 SiGe BiCMOS 谐波混频器 巴伦
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN773;TN402
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-16
• 1.1 研究工作的背景与意义11
• 1.2 国内外研究历史与现状11-14
• 1.2.1 国外发展现状12-13
• 1.2.2 国内发展现状13-14
• 1.3 本文的主要贡献和创新14
• 1.4 本论文的结构安排14-16
• 第二章 工艺库及混频器基本原理介绍16-32
• 2.1 MMIC技术16
• 2.2 SiGe BiCMOS工艺简介16-20
• 2.2.1 SiGe HBT17-18
• 2.2.2 电阻18-19
• 2.2.3 MIM电容19-20
• 2.3 MMIC设计基本流程20-21
• 2.4 混频器基本原理21-23
• 2.5 混频器的基本指标23-26
• 2.5.1 转换增益23-24
• 2.5.2 噪声24
• 2.5.3 线性度24-25
• 2.5.4 驻波比25
• 2.5.5 端口间隔离度25-26
• 2.6 混频器主要结构26-27
• 2.7 双平衡有源混频器原理27-29
• 2.8 谐波混频器的理论基础29-30
• 2.9 本章小结30-32
• 第三章 带有倍频器的三次谐波混频器设计32-52
• 3.1 混频器设计指标和拓扑结构32-33
• 3.1.1 混频器设计指标32
• 3.1.2 混频器拓扑结构32-33
• 3.2 三倍频器设计33-37
• 3.2.1 三倍频原理33-35
• 3.2.2 三极管偏置电压35
• 3.2.3 输入输出匹配35-37
• 3.3 两级放大器设计37-39
• 3.4 倍频部分整体设计39-40
• 3.5 混频部分设计40-45
• 3.5.1 W波段巴伦的设计与仿真40-44
• 3.5.2 Gilbert混频单元设计44-45
• 3.6 整体结构级联仿真45-47
• 3.7 整体版图设计47-51
• 3.8 本章小结51-52
• 第四章 双平衡三次谐波混频器设计52-63
• 4.1 双平衡三次谐波混频器电路结构52-53
• 4.2 偏置电路53-54
• 4.3 Ka波段balun设计54-55
• 4.4 双平衡三次谐波混频器原理图仿真55-57
• 4.5 双平衡三次谐波混频器的版图设计57-59
• 4.6 稳定性分析59-62
• 4.7 本章小结62-63
• 第五章 测试结果与分析63-69
• 5.1 测试方案63-65
• 5.2 测试结果与分析65-68
• 5.2.1 直流分析65
• 5.2.2 变频损耗测试65-67
• 5.2.3 隔离度测试67-68
• 5.3 本章小结68-69
• 第六章 全文总结与展望69-71
• 6.1 全文总结69
• 6.2 后续工作展望69-71
• 致谢71-72
• 参考文献72-75
• 攻读硕士学位期间取得的成果75

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本文编号：552193