随着多吉比特的点对点高速链接、大容量的无线局域网(WLAN)、高速无线个人域网(WPAN)、卫星通信、车载雷达和毫米波成像等毫米波无线通信应用的市场需求不断扩大,毫米波集成电路的需求日益旺盛。早期的毫米波集成电路多是基于GaAs或InP工艺实现的,近年来,随着工艺制造技术的发展,工艺特征尺寸持续缩小,CMOS工艺中的晶体管的特征频率也随之不断提高,而且CMOS工艺具有低成本、低功耗、可与数字模块工艺相兼容等优点,因此CMOS工艺毫米波集成电路已经成为了工业界和学术界的研究热点。本文的主要工作是针对毫米波CMOS接收机前端的关键模块—低噪声放大器(LNA)和混频器(Mixer)进行深入细致的研究。针对毫米波CMOS低噪声放大器,文中依次讨论了LC阶梯匹配术、噪声抵消技术、分布式放大器技术、平衡放大器技术、并联峰化与降Q技术以及单向化和中和技术等多种宽带低噪声放大器设计方案,分析并比较了它们各自的优缺点和应用范围。此外,论文还分析了低噪放设计过程中功率匹配和噪声匹配实现的先后次序对其噪声系数的影响,推导了两种情况下的噪声公式。针对共源共栅放大器,本文通过在共栅管栅极和共源管与共栅管级间分别引入一个电感的方法来改善放大器在高频时由寄生效应所引起的增益和噪声性能恶化现象。文中不仅详细分析了增益提升和噪声降低技术的工作原理,而且还讨论了增益提升电感对电路的噪声系数和稳定性的影响,噪声降低电感对电路的增益和稳定性的影响。为了验证上述分析,本文基于TSMC 90-nm CMOS工艺设计并实现了一款应用于60GHz接收机射频前端的宽带低噪声放大器。测试结果表明,该低噪放在61GHz处增益最大为19.8dB,噪声系数为4.5dB,3dB带宽大于10GHz,反向隔离度大于50dB,带内输入输出反射系数都小于-10dB,直流功耗为26mW,其带焊盘的芯片面积为0.36mm2。针对毫米波CMOS宽带混频器,文中给出了混频器偏置的选取方法,依次讨论了单端混频器、单平衡混频器、双平衡混频器、分布式混频器、亚采样混频器以及分谐波混频器等多种混频器设计方案,分析总结了其各自的优缺点和应用范围。为了实现很宽的带宽,本文重点研究分布式混频器的设计与优化方法。由于焊盘寄生参数的影响,基于均匀人工传输线设计的分布式电路在高频时的回波反射系数会被恶化,本文提出一种采用补偿终端改进阻抗匹配的分布式混频器。为了验证该改进技术,本文基于0.18-μmCMOS工艺设计并实现了一款宽带无源分布式栅注入混频器。测试表明：该混频器在3～40GHz频率范围内的本振与射频端口的反射系数均小于-10dB,转换损耗为9.4～17dB；在射频频率为23GHz,固定中频频率为500MHz时的输入参考1dB压缩点大于4dBm。在整个工作频带内,其射频到本振端口、射频到中频端口及本振到中频端口的隔离度分别大于21dB,38dB和45dB,直流功耗为零,其带焊盘的芯片面积为0.78mm2。为了提高无源分布式混频器转换增益,本文提出了另一种改进型分布式混频器,该结构将分布式混频器的正向和反向中频输出进行合成再放大,因此具有较好的转换增益。为了验证此改进技术,本文基于0.18-μm CMOS工艺设计并实现了一款新型超宽频带的毫米波混频器。测试结果表明：混频器工作频率从8GHz到40GHz,中频频率为2.5GHz时的转换增益为-0.2至4dB,其本振到中频端口和射频到中频端口间的隔离度均大于50dB,整个电路的直流功耗小于32mW。