毫米波放大器研究與設(shè)計(jì).pdf

1、最近幾年,毫米波頻段越來(lái)越多的應(yīng)用于通信系統(tǒng)中,當(dāng)前的無(wú)線接入方式已經(jīng)不能滿足日益增長(zhǎng)的對(duì)傳輸速率的要求。毫米波技術(shù)以其短波長(zhǎng)、大帶寬、超高速數(shù)據(jù)傳輸能力的特點(diǎn),成為大數(shù)據(jù)無(wú)線通信的發(fā)展方向,受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的普遍關(guān)注。而微電子技術(shù)的不斷發(fā)展,為實(shí)現(xiàn)小體積、高集成和低成本的集成電路提供了工藝基礎(chǔ)。高電子遷移率晶體管(HEMT)及異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管(HBT)已被廣泛應(yīng)用于毫米波集成電路領(lǐng)域。無(wú)線通信系統(tǒng)離不開(kāi)收發(fā)前端電路,低噪聲放大器作

2、為接收機(jī)前端的第一個(gè)模塊電路,它的主要作用是對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大,同時(shí)抑制信號(hào)中攜帶的噪聲,提高整個(gè)接收機(jī)的靈敏度,它的噪聲、增益、回波損耗和功耗等指標(biāo)將直接影響整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。功率放大器作為發(fā)射機(jī)最重要的模塊電路之一,它的主要作用是將射頻信號(hào)進(jìn)行功率放大,使信號(hào)有更遠(yuǎn)的傳輸距離,它的輸出功率、增益、效率等性能對(duì)整個(gè)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)有重要影響。本文的主要工作包括低噪聲放大器設(shè)計(jì)和功率放大器設(shè)計(jì)。
　　論文首先介紹了毫米波低噪

3、聲放大器的基礎(chǔ)理論,包括噪聲的來(lái)源、定義及測(cè)試,經(jīng)典二端口噪聲網(wǎng)絡(luò)及多級(jí)級(jí)聯(lián)噪聲網(wǎng)絡(luò),低噪聲放大器的性能指標(biāo),著重分析對(duì)比了低噪聲放大器的幾種典型結(jié)構(gòu),以此為基礎(chǔ),基于0.07μm GaAs mHEMT工藝,設(shè)計(jì)了V波段低噪聲放大器,該低噪聲放大器采用4級(jí)共源級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu),微帶線匹配及互聯(lián),流片回來(lái)的測(cè)試結(jié)果顯示:在53GHz~67GHz頻段范圍內(nèi),小信號(hào)增益大于30dB,輸入、輸出反射系數(shù)小于-5dB,輸出1dB增益壓縮點(diǎn)功率在60GHz

4、時(shí)為4dBm,噪聲系數(shù)小于3dB(仿真結(jié)果),該性能在目前國(guó)內(nèi)外所報(bào)道的文獻(xiàn)中處于領(lǐng)先水平。
　　然后對(duì)流片回來(lái)的有源及無(wú)源結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試頻率達(dá)到325GHz,根據(jù)無(wú)源結(jié)構(gòu)的測(cè)試數(shù)據(jù),對(duì)比驗(yàn)證了電磁場(chǎng)仿真的準(zhǔn)確性。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù),對(duì)有源、無(wú)源器件進(jìn)行建模并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了D波段低噪聲放大器,該放大器采用3級(jí)共源級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu),CPW匹配及互聯(lián),仿真結(jié)果顯示:在135~145GHz頻段內(nèi),小信號(hào)增益大于19dB,輸入、輸出反射系數(shù)小于

5、-6dB,噪聲系數(shù)NF小于7.5dB,電路在全頻段絕對(duì)穩(wěn)定,已流片。
　　緊接著介紹了功率放大器的基礎(chǔ)理論,包括 loadpull技術(shù)及功率放大器的性能指標(biāo),結(jié)合該部分理論,基于0.07μm GaAs mHEMT工藝,設(shè)計(jì)了60GHz單級(jí)功率放大器,該放大器采用共源結(jié)構(gòu),微帶線匹配及互聯(lián),測(cè)試了放大器的小信號(hào)特性,測(cè)試結(jié)果顯示:在60GHz時(shí),小信號(hào)增益為4.4dB,輸入反射系數(shù)小于-8dB,輸出反射系數(shù)小于-8dB,仿真的輸出1

6、dB增益壓縮點(diǎn)功率為12dBm,功率附加效率為27％。
　　最后基于InP DHBT工藝,設(shè)計(jì)了兩個(gè)60GHz單級(jí)功率放大器,第一個(gè)功率放大器采用共射結(jié)構(gòu),偏置直接通過(guò)RF通路提供給晶體管,CPW匹配及互聯(lián),仿真結(jié)果顯示:在60GHz時(shí),小信號(hào)增益為6.8dB,輸入反射系數(shù)小于-10dB,輸出反射系數(shù)小于-10dB,輸出1dB增益壓縮點(diǎn)功率為7.3dBm,功率附加效率為10.6%。第二個(gè)功率放大器采用共射結(jié)構(gòu),偏置通過(guò)片上提供給晶

7、體管,CPW匹配及互聯(lián),仿真結(jié)果顯示:在60GHz時(shí),小信號(hào)增益為5.6dB,輸入反射系數(shù)小于-11dB,輸出反射系數(shù)小于-7.5dB,仿真的輸出1dB增益壓縮點(diǎn)功率為6.6dBm,功率附加效率為8.9%,均已流片。
　　本文對(duì)于毫米波低噪聲放大器及功率放大器的設(shè)計(jì)方法作了較為全面的分析總結(jié),基于0.07μm GaAs mHEMT工藝設(shè)計(jì)了V波段低噪聲放大器、D波段低噪聲放大器和60GHz單級(jí)功率放大器,基于InP DHBT工藝設(shè)