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目前,无线通信频段主要集中在0~6 GHz,使得该频段的频谱资源趋于饱和,无法满足高数据传输速率的要求。当常用通信频段的频谱资源面临枯竭时,通信系统向更高频段(如微波毫米波频段)发展将成为必然的趋势。5G(5th-generation)技术是为满足2020年以后人们的移动通信需求而开发的新一代移动通信技术,目前全球多个5G频谱被划分在了24~36 GHz频段。因此,24~36 GHz硅基宽带频率源的芯片实现,可以满足全球5G通信的多频段需求。此外,它还可以精简微波毫米波收发机系统的尺寸,和实现相关频段雷达的宽带跳频需求。综上所述,24~36 GHz硅基宽带频率源的研究与设计具有重要的理论意义和应用价值。本文致力于24~36 GHz硅基宽带频率源的关键技术研究和芯片设计。基于0.13μm SiGe BiCMOS工艺,本文完成了24~36 GHz宽带压控振荡器(voltage controlled oscillator,VCO)、24~36 GHz宽带二分频器、12~18 GHz宽带可编程分频器、50 MHz鉴频鉴相器(phase frequency detector,PFD)和电荷泵以及24~36 GHz宽带频率源的流片验证。微波毫米波频率源系统结构的选择不仅关系到它所能提供的频率范围,还关系到整个系统的复杂程度、设计可行性、成本和功耗等。一个合理的系统结构设计和环路参数设计是实现系统设计指标的前提条件。本文对微波毫米波频率源的研究现状进行了综述,并总结出4种常见的微波毫米波频率源结构。本文对比分析了这4种结构的优缺点,并根据系统的设计指标,确定了拟采用的基于基频VCO的整数型锁相环结构。基于对频率源系统的相位噪声分析和环路参数分析,本文确定了系统中各电路模块的设计指标,并利用Matlab软件中的Simulink工具,对频率源系统的整体性能进行了行为级仿真验证。微波毫米波VCO是本文频率源系统中的核心模块,它的调谐范围决定了频率源的输出频率范围,它的相位噪声主导了频率源的带外相位噪声,因此,一个合理的VCO设计是实现频率源系统良好性能的必要条件。本文对微波毫米波VCO的研究现状进行了综述,并总结出3种常见的微波毫米波VCO结构。本文对比分析了这3种结构的优缺点,并根据模块的设计指标,确定了拟采用的Colpitts VCO阵列结构。基于脉冲灵敏度函数(impulse sensitivity function,ISF)分析法,本文推导了共集电极Colpitts振荡器的相位噪声解析式,并据此给出了相位噪声优化策略。基于上述分析,本文设计了采用可切换偏置电流技术的Colpitts VCO阵列,并经过了流片验证。测试结果表明:VCO阵列的调谐范围为22~36.8 GHz,在1 MHz频偏处的相位噪声小于–95.3 dBc/Hz,符合24~36 GHz宽带VCO的设计指标。微波毫米波二分频器是本文频率源系统中的重要模块,它将VCO输出信号的频率减半再送给可编程分频器,从而降低了可编程分频器的设计难度。本文对微波毫米波二分频器的研究现状进行了综述,并总结出4种常见的微波毫米波二分频器结构。本文对比分析了这4种结构的优缺点,并根据模块的设计指标,确定了拟采用的基于环形振荡器的注入锁定分频器(ring-oscillator-based injection locked frequency divider,RO-ILFD)结构。针对目前RO-ILFD分析方法的局限性,本文提出了一种针对微波毫米波RO-ILFD设计的分析方法,并推导出RO-ILFD的自谐振频率和分频范围的一般解析表达式。基于上述分析,本文设计了一个基于两级环形振荡器的双注入锁定分频器,并经过了流片验证。测试结果表明:当输入信号功率为–10 dBm时,二分频器的分频范围为16~67 GHz,符合24~36 GHz宽带二分频器的设计指标。可编程分频器是本文频率源系统中的重要模块,它可以将信号从微波毫米波频段分频到兆赫兹频段,并实现分频比的连续可调。本文对微波毫米波可编程分频器的研究现状进行了综述,并总结出两种常见的可编程分频器结构。本文对比分析了这两种结构的优缺点,并根据模块的设计指标,确定了拟采用的基于脉冲吞咽计数器的可编程分频器结构。基于对分频器基本单元的分析,本文将锁存管尺寸非对称技术和内嵌门技术应用在了可编程分频器的设计中,并完成了流片验证。测试结果表明:当输入信号的功率为–12.5 dBm时,可编程分频器的分频范围为6~22 GHz,符合12~18 GHz宽带可编程分频器的设计指标。PFD和电荷泵是本文频率源系统中的重要模块,PFD将环路中分频后的反馈信号与外部参考时钟信号进行频率与相位的比较,并输出相应的充放电脉冲,电荷泵则据此对环路滤波器进行充放电,从而在环路滤波器上形成控制VCO输出频率的调谐电压。本文对PFD和电荷泵的研究现状进行了综述,并总结出3种常见的PFD结构和两种常见的电荷泵结构。本文对比分析了这些结构的优缺点,并根据模块的设计指标,确定了拟采用的边沿触发型PFD结构和单端电荷泵结构。基于对PFD的鉴相盲区和死区以及电荷泵的非理想因素的分析,本文设计了PFD和电荷泵的级联电路,并完成了流片验证。测试结果表明:PFD和电荷泵的级联电路的鉴相范围为[–1.96π,1.96π],输出电压范围为0.25~3.1 V,符合50 MHz PFD和电荷泵的设计指标。最后,本文对频率源系统的模块级联方式进行了研究,对信号间的耦合效应、直流与交流路径的分布方式、键合线的影响等问题进行了探讨,并给出了相应的解决方法。在此基础上,本文对频率源系统中的各电路模块进行了集成,从而完成了24~36 GHz硅基宽带频率源的设计。该频率源系统已经过流片验证,测试结果表明:频率源系统的频率范围为23.0~36.8 GHz,在1 MHz频偏处的相位噪声为?96.7~?87.0 dBc/Hz,参考杂散为?65.6~?52.6 dBc,完全符合系统的设计指标,这也说明了本文的理论分析和设计方法是正确有效的。