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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TSMC 90nm 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27~33 GHz 范围内时,电
路后仿真结果为:转换损耗小于5 dB,基波抑制超过25 dB 。栅极偏置电压为0.45 V 和漏极
2
偏置电压为1.2 V 时,倍频器的总直流功耗是9 mW 。芯片面积(包含pad )为0.27 mm 。
基于GaAs 工艺,本文设计了一种输出频率为54~66 GHz 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27~33 GHz 内,输出功率大于0 dBm,变频损耗小于5 dB,基波抑制大于 15 dB,三次谐
2
波抑制大于25 dB 。芯片总面积(含pad )为0.529 mm 。
关键词:毫米波,CMOS,砷化镓,二倍频器
I
ABSTRACT
With the development of millimeter-wave band communication system, its working frequency
gets higher and higher. High stability and good phase characteristics of millimeter-wave system
source are essential. It is hard to get the millimeter-wave frequency source directly, however, the
millimeter-wave multiplier could generate the high output frequency signal through the low input
frequency signal. In this way, the millimeter-wave multiplier could be designed using the more
mature process. Millimeter-wave multiplier is generally used in millimeter-wave system, and it is
the key module of millimeter-wave devices such as frequency synthesizer and multiplier chai
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