毫米波倍频器的研究与设计

【摘要】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ADSMomentum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TSMC90nmCMOS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。
【作者】张倩；
【导师】孙玲玲；文进才；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，集成电路工程，2014，硕士
【关键词】毫米波；CMOS；砷化镓；二倍频器；

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