毫米波放大器研究与设计

【摘要】最近几年，毫米波频段越来越多的应用于通信系统中，当前的无线接入方式已经不能满足日益增长的对传输速率的要求。毫米波技术以其短波长、大带宽、超高速数据传输能力的特点，成为大数据无线通信的发展方向，受到学术界和工业界的普遍关注。而微电子技术的不断发展，为实现小体积、高集成和低成本的集成电路提供了工艺基础。高电子迁移率晶体管（HEMT）及异质结双极性晶体管（HBT）已被广泛应用于毫米波集成电路领域。无线通信系统离不开收发前端电路，低噪声放大器作为接收机前端的第一个模块电路，它的主要作用是对接收到的信号进行放大，同时抑制信号中携带的噪声，提高整个接收机的灵敏度，它的噪声、增益、回波损耗和功耗等指标将直接影响整个接收机系统的性能表现。功率放大器作为发射机最重要的模块电路之一，它的主要作用是将射频信号进行功率放大，使信号有更远的传输距离，它的输出功率、增益、效率等性能对整个发射机系统有重要影响。本文的主要工作包括低噪声放大器设计和功率放大器设计。论文首先介绍了毫米波低噪声放大器的基础理论，包括噪声的来源、定义及测试，经典二端口噪声网络及多级级联噪声网络，低噪声放大器的性能指标，着重分析对比了低噪声放大器的几种典型结构，以此为基础，基于0.07μmGaAsmHEMT工艺，设计了V波段低噪声放大器，该低噪声放大器采用4级共源级联结构，微带线匹配及互联，流片回来的测试结果显示：在53GHz～67GHz频段范围内，小信号增益大于30dB，输入、输出反射系数小于-5dB，输出1dB增益压缩点功率在60GHz时为4dBm，噪声系数小于3dB（仿真结果），该性能在目前国内外所报道的文献中处于领先水平。然后对流片回来的有源及无源结构进行了测试，测试频率达到325GHz，根据无源结构的测试数据，对比验证了电磁场仿真的准确性。根据测试数据，对有源、无源器件进行建模并以此为基础设计了D波段低噪声放大器，该放大器采用3级共源级联结构，CPW匹配及互联，仿真结果显示：在135～145GHz频段内，小信号增益大于19dB，输入、输出反射系数小于-6dB，噪声系数NF小于7.5dB，电路在全频段绝对稳定，已流片。紧接着介绍了功率放大器的基础理论，包括loadpull技术及功率放大器的性能指标，结合该部分理论，基于0.07μmGaAsmHEMT工艺，设计了60GHz单级功率放大器，该放大器采用共源结构，微带线匹配及互联，测试了放大器的小信号特性，测试结果显示：在60GHz时，小信号增益为4.4dB，输入反射系数小于-8dB，输出反射系数小于-8dB，仿真的输出1dB增益压缩点功率为12dBm，功率附加效率为27%。最后基于InPDHBT工艺，设计了两个60GHz单级功率放大器，第一个功率放大器采用共射结构，偏置直接通过RF通路提供给晶体管，CPW匹配及互联，仿真结果显示：在60GHz时，小信号增益为6.8dB，输入反射系数小于-10dB，输出反射系数小于-10dB，输出1dB增益压缩点功率为7.3dBm，功率附加效率为10.6%。第二个功率放大器采用共射结构，偏置通过片上提供给晶体管，CPW匹配及互联，仿真结果显示：在60GHz时，小信号增益为5.6dB，输入反射系数小于-11dB，输出反射系数小于-7.5dB，仿真的输出1dB增益压缩点功率为6.6dBm，功率附加效率为8.9%，均已流片。本文对于毫米波低噪声放大器及功率放大器的设计方法作了较为全面的分析总结，基于0.07μmGaAsmHEMT工艺设计了V波段低噪声放大器、D波段低噪声放大器和60GHz单级功率放大器，基于InPDHBT工艺设计了两个60GH单级功率放大器，为我国下一代无线通信提供了现实的借鉴意义。
【作者】王岗；
【导师】孙玲玲；文进才；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，电路与系统，2014，硕士
【关键词】毫米波单片集成电路；低噪声放大器；功率放大器；V波段；D波段；

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