硅基毫米波功率放大器研究与设计-电路与系统专业论文.docxVIP

万方数据 万方数据 Dissertation Submitted to Hangzhou Dianzi University for the Degree of Master Design of Sillicon-based Millimeter-Wave Power Amplifier Candidate: Zhang Le Supervisor: Professor. Lingling Sun Associate Professor. Jincai Wen December，2014 杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或 使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件， 允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存论文。（必威体育官网网址论文在解密后遵守此规定） 论文作者签名： 日期： 年 月 日 指导教师签名： 日期： 年 月 日 杭州电 杭州电子科技大学硕士学位论文 摘 要 在近几十年，无线通信技术随着电子技术的发展而得以迅速发展，但随之出现了在低频 频段开始出现了频谱资源日益紧张。同时随着多媒体技术的发展，人们对无线通信系统的要 求越来越高。不过，幸运的是毫米波频段的频谱资源丰富而且能够实现高速率传输，毫米波 技术给无线通信研究提供了广阔的频谱资源空间，同时给无线通信带来了新的活力和更多的 选择。 其中 60GHz 技术以其频带宽、抗干扰力强、传输安全性高，超高速的数据传输能力等众 多优点，成为下一代无线通信系统的发展方向，是学术界和工业界的研究热点。而当通信频 率高于 100GHz 时，可提供高达 10Gb/s 的无线传输速率和更为紧凑的系统结构，易于多功能 集成实现应用。 当前，欧美、日本以及中国台湾的各大高校、研究机构以及各大消费电子产品公司纷纷 开展 60GHz 以及高于 100GHz 频率技术的研究，取得了显著的成果。近年，国内外关于 60GHz 以及高于 100GHz 频率的硅基功率放大器的文献数量有了显著增长，电路性能也大幅提高。本 文总结了 60GHz 和高于 100GHz 频率的硅基功率放大器的研究进展，探讨硅基毫米波功率放 大器的挑战和设计方法，并对 60GHz CMOS 以及 150GHz SiGe BiCMOS 功率放大电路进行研 究与设计。其内容简述如下： （1）本文调研了 60GHz 以及高于 100GHz 频率的硅基功率放大器的相关文献，归纳出 电路的典型结构及技术指标。截止至 2013 年，IEEE 报道的 60GHz CMOS 功率放大器的饱 和输出功率从 8dBm 提高到超过 20dBm，增益从 5.2dB 提高到近 30dB，PAE 从 7%提高到 了 25%以上。而高于 100GHz 频率硅基的功率放大器的典型指标：饱和输出功率基本都在 15dBm 以内，增益大于 10-25dB，PAE 一般小于 10%。截止到 2013 年，高于 100GHz 功率 放大器的最优的指标能够达到：最高工作频率为 260GHz，最高饱和输出功率为 13.2dBm，最 高增益为 24.3dB，最高 PAE 为 14.6%。 （2）本文较为详细地讨论了功率放大器的基础理论，同时深入的调研针对硅基工艺下毫 米波功率放大器设计的挑战以及深入的调研并详细探讨毫米波电路设计的方法。随着硅基工 艺的不断进步，目前硅基工艺的有源器件截止频率 fT 已经能够达到 300GHz，这使得硅基毫 米波集成功率放大器的设计成为可能。但硅基工艺毫米波功率放大器的设计仍然存在诸多挑 战。有源器件击穿电压低限制了毫米波功率放大器的输出功率硅基工艺高损耗加大了传输线 的损耗，此外器件模型精确度不高也成为毫米波功率放大器的设计的一个巨大的挑战。针对 这些不利因素，本文列举了目前多种能够一定程度上解决这些挑战的方法，例如：功率合成、 逼近截止频率等设计方法。 （3）本文设计了一款基于 TSMC 90nm CMOS 工艺的 60GHz 功率放大器。在此功率放 I 大器的设计中，针对毫米波频段晶体管增益不够的情况，采用共源共栅结构和