60GHz CMOS发射机的设计与实现

发布时间：2017-03-23 13:00

  本文关键词：60GHz CMOS发射机的设计与实现，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：无线通信经历了几十年的迅猛发展,通信速率从几kbps增长到了几百Mbps,可是多媒体业务和高清视频数据等对通信速率提出更高的要求。面临传统的频谱资源日益紧张的趋势,为了满足下一代无线通信的高达数Gbps传输速率的需求,60GHz毫米波通信成为下一代无线通信标准的有力候选。要实现60GHz通信系统商用,低功耗和低成本的CMOS工艺是首选方案。然而要实现60GHz射频通信系统芯片,仍有许多问题亟待解决。在国内目前毫米波芯片设计基础较为薄弱的背景下,本论文针对60GHz射频通信系统芯片中的发射机部分开展了较深入的研究,论文的主要研究内容和贡献概括如下：1) 设计并实现了多款60GHz CMOS功率放大器。针对CMOS工艺的低fmaxt,低工作电压,以及bulk工艺在毫米波段的高损耗的特点,本论文提出和应用了一系列新的电路设计技术。a)电容中和-伪差分共源放大器具有高增益,稳定,高隔离度等优点,论文给出了详细的数学证明；b)采用变压器功率合成技术提高输出功率,具有面积小,损耗低的优点；c)从匹配轨迹出发,提出了新的级间匹配方式,极大的降低了匹配网络的损耗等。利用这些技术,本论文实现了两款大功率功率放大器,其中四路功率合成三级功率放大器测试增益为24.5dB,饱和输出功率Psat超过18dBm,最大效率.PAEmax为13%;八路功率合成功率放大器测试增益为25dB,Psat达到20.6dBm,输出1dB压缩点OP1dB超过17dBm, PAEmax达到16%。针对发射机对功率放大器的要求,论文又设计了一款非对称供电的功率放大器,通过电路及版图优化,放大器克服了非对称供电对平衡性的影响。仿真结果表明放大器增益超过30dB,Psat达到19dBm,PAEmax为16%。为了解决功率放大器带宽的问题,论文设计了一款频带可调的功率放大器,利用开关电容技术对放大器匹配进行调节。仿真表明放大器能够覆盖IEEE 802.15.3c标准四个通道,带内平坦度小于1dB。为增大输出功率,放大器采用极限增大晶体管尺寸的方法,仅一路差分就实现了超过16dBm的输出功率。本论文所设计的几款功率放大器,在增益,输出功率,效率,带宽各方面达到了世界上同类功率放大器的先进水平。2)设计并实现了一款60GHz CMOS上变频器。此上变频器采用双平衡吉尔伯特结构,差分输入差分输出,同时内接本振缓冲器和射频缓冲器,降低了本振信号的驱动功率,提高了射频信号的输出线性度。由于采用变压器匹配的方法,此上变频器面积紧凑,增益平坦性也十分出色。与已发表结果相比,本论文采用变压器匹配,实现宽带高增益和低损耗,不仅覆盖了IEEE 802.15.3c标准所指定的四个通道,而且带内波动小于1.5dB,不考虑本振缓冲器的功耗,此混频器仅消耗32mmW功率,而OP1dB达到2.5dBm,转换增益达到14dB,各个方面的性能都表现优异。3) 设计并实现了60GHz全集成CMOS收发机中的发射机。从系统链路计算开始,分析了实现设定目标所需要的发射机指标：发射机采用滑动中频架构,降低了IQ正交调制器的设计难度；详细分析了影响发射机EVM的各个非理想因素,提出了各个模块电路的设计目标；介绍了发射机各个模块的设计要点；给出了发射机测试的结果。测试结果表明,本发射机能够实现最高达10.6Gb/s传输速率,最高发射功率能够达到11.52dBm,EVM测试结果完全满足IEEE标准要求的-14dB (QPSK)和-21dB (16QAM)的要求。最后给出了收发机的测试结果,结果表明此收发机系统传输速率为3.5Gbps (7Gbps)时,传输距离可以达到6m(4m),满足项目设计要求,是一款性能优异的全集成毫米波收发机系统芯片。
【关键词】：60 GHz 毫米波 CMOS 发射机 功率放大器 变频器
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN838;TN722
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第一章 绪论15-25
• 1.1 研究背景15-22
• 1.1.1 无线通信的发展趋势-60GHz成为研究热点15-18
• 1.1.2 60GHz标准18-20
• 1.1.3 集成电路的发展趋势-60GHz实现成为可能20-22
• 1.1.4 小结22
• 1.2 60G国内外研究现状22-24
• 1.2.1 北美22-23
• 1.2.2 欧洲23
• 1.2.3 亚洲23
• 1.2.4 小结23-24
• 1.3 论文组织结构24-25
• 第二章 60GHz CMOS发射机设计分析25-43
• 2.0 60GHz收发机研究现状25-27
• 2.1 60GHz发射机架构分析27-28
• 2.2 60GHz发射机电路性能与EVM分析28-35
• 2.2.1 线性度对于EVM的影响29-31
• 2.2.2 IQ不平衡对EVM的影响31-32
• 2.2.3 载波泄露对于EVM的影响32-33
• 2.2.4 相位噪声噪声对于EVM的影响33-34
• 2.2.5 带宽对于EVM的影响34-35
• 2.3 60GHz发射机器件分析35-41
• 2.3.1 有源器件35-36
• 2.3.2 无源器件36-41
• 2.4 发射机设计流程及要点41
• 2.5 本章小结41-43
• 第三章 60GHz CMOS功率放大器的设计与实现43-77
• 3.1 简介43-48
• 3.1.1 60GHz功率放大器研究历程43-45
• 3.1.2 60GHz功率放大器设计难点45-48
• 3.2 一款4路功率合成18dBm功率放大器48-64
• 3.2.1 电容中和-伪差分共源放大器结构48-54
• 3.2.2 共模稳定性分析54-56
• 3.2.3 差分晶体管版图寄生参数影响56-57
• 3.2.4 功率合成与末级匹配57-61
• 3.2.5 一种低损耗的级间匹配方式61-62
• 3.2.6 测量结果62-64
• 3.3 一款8路功率合成20.6dBm功率放大器64-69
• 3.3.1 八路功率合成技术分析64
• 3.3.2 负载牵引仿真64-65
• 3.3.3 低损耗级间匹配设计65-67
• 3.3.4 测量结果67-69
• 3.4 一款非对称供电19dBm功率放大器69-72
• 3.4.1 非对称供电对电路平衡性的影响70-71
• 3.4.2 非对称供电对直流压降的影响71
• 3.4.3 末级功率合成器设计71-72
• 3.4.4 后仿真结果72
• 3.5 一款频带可调功率放大器72-76
• 3.5.1 开关电容技术73-74
• 3.5.2 减少面积设计74-75
• 3.5.3 后仿真结果75-76
• 3.6 本章小结76-77
• 第四章 60GHz CMOS上变频器的设计与实现77-89
• 4.1 简介77-79
• 4.1.1 混频器基本概念77
• 4.1.2 60GHz上变频器研究现状77-79
• 4.2 60GHz上变频器的设计79-85
• 4.2.1 双平衡吉尔伯特混频器80-81
• 4.2.2 上变频器匹配设计81-84
• 4.2.3 隔离度分析84-85
• 4.3 60GHz上变频器测试85-88
• 4.3.1 测试仪器和测试方法85
• 4.3.2 测试结果85-88
• 4.4 本章小结88-89
• 第五章 60GHz CMOS发射机的设计与实现89-105
• 5.1 系统链路计算89-91
• 5.2 发射机电路设计91-94
• 5.2.1 发射机增益分配92
• 5.2.2 功率放大器的设计实现92
• 5.2.3 射频混频器的设计92
• 5.2.4 IQ正交调制器的设计92-94
• 5.2.5 本振缓冲器的设计94
• 5.2.6 发射机隔离设计94
• 5.3 发射机测试及结果分析94-102
• 5.3.1 单音信号测试95-98
• 5.3.2 调制信号测试98-102
• 5.4 收发机测试结果102-104
• 5.5 小结104-105
• 第六章 总结与展望105-107
• 6.1 总结105-106
• 6.2 展望106-107
• 附录107-113
• 参考文献113-119
• 作者简介119-121
• 致谢121

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