CMOS毫米波慢波耦合器及移相器研究.pdfVIP

摘要

毫米波太赫兹波段以其丰富的频谱资源和独有特性，受到学术界的广泛关注。由于

其波长较短，毫米波太赫兹电路及器件的大规模片上集成成为射频电路设计的研究趋势。

CMOS

在众多集成电路工艺中，工艺在成本、集成度、功耗等方面有着难以取代的优势。耦

合器和移相器作为硅基毫米波太赫兹收发前端的重要组成部分，是影响集成电路性能的关键

模块。然而，相较于有源电路部分，无源器件往往在整个收发前端中占据绝大部分面积。同

时，由于高损耗硅基衬底的影响，片上器件品质因数较低，对耦合器及移相器的设计提出了

更高要求。

本文基于硅基CMOS工艺，对毫米波慢波耦合器及移相器的设计进行了深入研究。具

体工作如下：

1）针对片上环形耦合器面积过大和难以集成的问题，使用新型慢波传输线替代传统微

带线对环形耦合器进行了小型化设计。该新型慢波传输线在微带线的基础上附加叉指型金

7/6

属条带，实现了更高的等效介电常数。此外，以波长环形耦合器为基本结构，引入

D

反相器，进一步提高了集成度。在保证耦合器性能良好的情况下，最终实现的波段慢

波环形耦合器面积为140×105μm2，相比于传统微带环形耦合器面积缩减达79%。

2）针对多种应用场景，基于一种慢波耦合线设计了多款慢波Lange耦合器以及慢波耦

合线滤波器。在一种改进型慢波传输线的研究之上，利用其地开槽的结构特点设计了慢

波耦合线，并将其应用于Lange耦合器中。所设计的毫米波慢波Lange耦合器具有良好

的带宽性能，以及长度可控的优势。对一款长度较短的慢波Lange耦合器进行了单独流

100×80μm2D88.3°±1.1°140`GHz

片测试，其面积为，在整个波段正交输出端口相位差为，

处直通端与耦合端插损分别为3.55dB和4.47dB。此外，采用这种慢波耦合线在210`GHz

频段设计了慢波耦合线滤波器，相比于传统微带耦合线形式，长度缩减达44%，实现了

片上无源器件的高集成度应用。

3CMOSD°

）基于工艺设计了一款波段可连续调相100以上的反射型移相器。采用两级

LC

反射型移相器级联的基本架构，并使用并联作为反射负载。正交耦合器采用前文设计的

慢波Lange耦合器，并共用开槽地，进一步提高了集成度。测试结果表明，在118~145`GHz

频段内，移相范围在100°以上，端口回波损耗优于12dB，所有相移状态的插入损耗小于

12`dB，且变化小于3dB。

上述所有设计均基于40nmCMOS工艺进行了流片测试，验证了所设计的慢波耦合器及

移相器的准确性与可行性。

关键词：CMOS，毫米波，慢波传输线，耦合器，反射型移相器

2

μm,whichreducestheareaofthe

traditionalmicrostripringcouplerby79%.

2)Tomeetvariousapplicationscenarios,severalslow-waveLangecouplersandslow-

wavecouplerlinefiltersaredesignedbasedonaslow-wavecouplerline.Bystudying