【摘 要】
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现代无线通信技术的发展给毫米波无线通信带来了新的应用场景,如何设计高集成度、低成本的毫米波前端电路成为了研究热点。与目前的化合物半导体工艺相比,CMOS工艺具有更低的成本以及更高的集成度,得到了工业界与学术界的广泛关注。开关电路广泛地应用于毫米波时分双工相控阵系统中,是无线通信收发机系统中的重要模块。本文基于65-nm CMOS工艺,研究了应用于无线通信系统中的毫米波开关芯片。本文首先介绍了本课题
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现代无线通信技术的发展给毫米波无线通信带来了新的应用场景,如何设计高集成度、低成本的毫米波前端电路成为了研究热点。与目前的化合物半导体工艺相比,CMOS工艺具有更低的成本以及更高的集成度,得到了工业界与学术界的广泛关注。开关电路广泛地应用于毫米波时分双工相控阵系统中,是无线通信收发机系统中的重要模块。本文基于65-nm CMOS工艺,研究了应用于无线通信系统中的毫米波开关芯片。本文首先介绍了本课题的研究背景及意义,调研了国内外开关芯片的研究历史与发展动态。接着介绍了CMOS毫米波开关电路的设计基础,并使用65-nm CMOS工艺,设计了四款单刀双掷开关芯片,分别重点优化开关芯片的插入损耗、功率处理能力和工作带宽,并成功流片及测试。第一款单刀双掷开关芯片工作频段为3.5-9GHz,基于传统串并式结构,并将传统结构中的并联单管改为堆叠式并联双管,将传统串并式结构的线性度提高了2d B。后仿真结果显示,包括连接传输线在内的插入损耗小于1.2d B,隔离度大于30d B,输入1d B压缩点为8.8d Bm。第二款单刀双掷开关的工作频段为16-26GHz,采用对称式结构。为了解决串并式结构在毫米波频段隔离度过低及插入损耗过大的问题,引入了隔离电感,优化开关的插入损耗及芯片面积。测试结果显示,其插入损耗为2-3.1d B,隔离度大于20d B,输入输出回波损耗小于-8d B。第三款单刀双掷开关的工作频段为23-31GHz,在确定了关断状态晶体管是影响开关电路线性度的主要因素后,通过非对称式电路结构,重点优化单刀双掷开关发射模式的线性度。测试结果显示,其发射状态插入损耗为2.2-3d B,隔离度大于20d B,其输入0.7d B压缩点为27d Bm。由于三端口器件的特殊性,接收状态只测得输入输出回波参数均小于-8d B。最后一款开关芯片结合毫米波宽带匹配理论,利用外加电感与晶体管的寄生电容形成宽带匹配网络拓展工作带宽至DC-50GHz。实际测试频带为15-40GHz,测得插入损耗为1.8-2.4d B,输入输出回波参数均小于-13d B,10GHz时输入1d B压缩点为10.5d Bm。本课题对于毫米波开关芯片的研究,验证了在CMOS工艺下实现高线性度、超宽带开关的可能性,也为国内对于毫米波开关的研究提供了思路。
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