【摘 要】
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随着5G移动通信、无人驾驶和虚拟现实/增强现实（VR/AR）等应用对高数率、低延时通信的需求,毫米波通信技术成为进一步提高无线通信服务的技术方案。毫米波相控阵前端作为毫米波通信技术的核心部件,受到了工业界和学术界的广泛关注。然而受限于相控阵前端的高成本、高功耗、结构复杂的原因,毫米波通信目前尚未大规模推广应用。为了降低相控阵前端的成本和功耗,本文基于硅基工艺对毫米波相控阵收发前端及其关键电路模块（
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随着5G移动通信、无人驾驶和虚拟现实/增强现实（VR/AR）等应用对高数率、低延时通信的需求,毫米波通信技术成为进一步提高无线通信服务的技术方案。毫米波相控阵前端作为毫米波通信技术的核心部件,受到了工业界和学术界的广泛关注。然而受限于相控阵前端的高成本、高功耗、结构复杂的原因,毫米波通信目前尚未大规模推广应用。为了降低相控阵前端的成本和功耗,本文基于硅基工艺对毫米波相控阵收发前端及其关键电路模块（移相器、倍频器、放大器）开展了深入的研究。主要的研究内容分为以下四个部分。（一）基于矢量合成移相技术的硅基毫米波移相器研究。针对毫米波矢量合成移相器的负载效应问题,设计了改进型的全通滤波器单元,以消除负载效应造成的幅度和相位失配。将设计的改进型全通滤波器单元应用于毫米波移相器的设计中,实现了15-38GHz的宽带移相器,其相位误差在宽带范围内小于3.5度。针对高精度移相的需求,提出非正交矢量合成移相技术,该技术有效地降低了相位误差对幅度失配的敏感度。基于非正交矢量合成移相技术实现了一款18-26GHz的矢量合成移相器,其相位分辨率为3.725度,相位误差小于2.05度。针对部分相控阵接收前端对低噪声、高增益移相器的需求,提出新型矢量合成移相结构,采用低噪声的可变增益分离器、有源巴伦和90度耦合器实现了24-30GHz的矢量合成移相器,其噪声系数小于9d B,增益大于6.5d B,相位误差小于3.5度。（二）基于奇数-波形叠加倍频技术的毫米波高倍频系数倍频器研究。针对毫米波频率源对高倍频系数、低功耗、小尺寸和低谐波分量倍频器的需求,提出奇数-波形叠加倍频技术。对比目前的已报道的偶数-波形叠加技术,提出的奇数-波形叠加倍频技术将倍频系数提高了两倍。基于该技术实现了一款输出频率为30-42GHz的毫米波六倍频倍频器,在无需额外滤波单元的情况下,实现了大于22d Bc的谐波抑制度。（三）基于有源负阻陷波技术的硅基毫米波镜像抑制-自动增益控制-低噪声放大器的研究。针对镜频干扰对接收链路的输出信噪比恶化问题,提出基于负阻陷波技术的镜频抑制陷波单元,并将该单元引入到低噪声放大器的设计中,实现了大于31d Bc的镜频抑制度的同时。此外,还为镜频抑制-低噪声放大器配置了自动增益环路,实现在-50d Bm到-20d Bm接收功率下,-30d Bm到-25d Bm的相对稳定输出功率。（四）用于5G通信的28GHz硅基毫米波相控阵收发前端系统研究。针对目前即将部署的5G毫米波通信应用,设计了一款28GHz硅基四通道毫米波相控阵收发前端芯片。相控阵收发前端采用射频移相架构,以降低芯片的功耗和面积。该芯片经过三次设计迭代,目前各项性能已满足5G毫米波通信的收发性能的需求,芯片的尺寸为4×5mm~2,接收通道和发射通道的功耗分别为66和96m W,相位步进5.625度,接收通道和发射通道的最大增益分别为42d B和38d B,具有25d B的增益调节范围。此外,设计的毫米波相控阵收发前端芯片集成了频率源、校准通道,比国内外的同类型芯片具有更加完备的功能和更高的集成度,同时性能指标相当。
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