毫米波片上电感建模技术研究

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近年来毫米波无线通信技术由于其高数据率、大信息容量、低时延和高可靠性等突出的特点,在无线通信领域等到了广泛的应用实践。尤其是现今大面积铺设开来的5G通信、物联网、智能驾驶等领域展现了毫米波无线通信的巨大潜力。而毫米波收发前端作为毫米波无线通信的重要组成部分,已经在学术界和工业界掀起了研究设计的浪潮。又因为硅基CMOS工艺相比于其他半导体工艺具有低成本、低功耗、高集成度等优点,所以在毫米波电路制造工艺中有相当明显的优势。在毫米波收发前端中,无源器件,尤其是片上电感有不可或缺的重要作用,如阻抗匹配、选频滤波、谐振网络等,并且片上电感在电路版图中占有较大面积,所以片上电感仿真的准确性是非常重要的。但是,工艺厂商所提供的PDK中电感模型的工作频率最高只有20GHz,难以满足高频仿真需求。此外,片上准确的电感模型能够为电路设计者提供设计指导,也有利于提高电路设计效率。所以毫米波片上电感建模在毫米波集成电路设计中起到了重要作用。本课题主要研究了硅基毫米波片上电感建模与片上电感综合技术方法,并将其运用在一款毫米波低噪声放大器设计中。重要研究内容如下:(一)研究了片上电感的高频特性,考察了传输线与电感线圈之间的电容耦合效应,并且考虑了单π和双π电感模型的适用性,针对不同圈数电感建立了改进的单π和双π电感模型。通过对比UMC110nm工艺片上电感测试数据与电感模型仿真数据,验证了从低频到67GHz范围内电感模型准确性。(二)在片上电感模型的基础上研究了片上电感综合方法。该方法从提出的电感参数需求到得出片上电感结构参数,以电感等效缩放模型为依托,迭代优化求解得出所需片上电感。并且利用电磁仿真工具仿真验证了该综合方法的准确性。(三)采用CMOS 65nm工艺设计了一款毫米波低噪声放大器,其中所涉及的电感应用以上电感模型及电感综合方法。最后低噪声放大器完整版图仿真结果也验证了本课题所提出的电感模型及其电感综合方法的准确性。
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