基于CMOS工艺宽带微波混频单元设计

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近年来,随着网络生活的丰富,无线通信迎来了发展的黄金时期,特别是5G毫米波通信的提出,为通信的发展指明了方向。然而CMOS工艺因为低成本、高集成度的优点成为了5G毫米波芯片的首选。因此,本文针对毫米波芯片里必不可少的混频器模块,进行深入研究与探索。首先,本文在混频器的研究背景上,根据国内外的研究现状,针对微波电路的走线以及端口网络分析问题,对微波电路的传输线理论和端口网络进行了论述。然后针对混频器进行了基本理论的分析,包括混频器的工作原理,常用的两种分类方法,以及混频器的各种性能指标。根据前期的基础知识,针对5G毫米波通信的带宽问题,设计了一款高隔离度的宽带混频器的。该混频器采用标准的65nm CMOS工艺,利用无源双平衡大宽带与高隔离度的优点,中频使用降Q技术的共源缓冲级补偿增益,达到很高的中频带宽。然后通过高线性度的3:3无源巴伦转化为单端信号,保证了线性度不会被恶化,插损也比较小。最后实现了13GHz(2-15GHz)的中频3d B带宽,在本振功率0d B,射频频率27GHz,本振频率21GHz时,输入1d B压缩点为-2.7d Bm;在射频频率23.5GHz-30GHz时,转换增益为-2~-0.7d B。最后,本文针对新的5G毫米波通信芯片的需求,经过对电路的改进,实现了一款高线性度的宽带混频器。混频器核心仍然使用线性度、宽带性能都较好的无源双平衡结构。为了实现良好的线性度,中频巴伦仍然采用无源巴伦,而中频缓冲级则使用线性度较好的宽带跨阻放大器。另外还使用了峰化电感,不但谐振了TIA的寄生电容,提高了带宽性能,还滤除了高频杂散,增加了混频器的谐波抑制度。最终在工作频带内实现了大于2.2d Bm的输入1d B压缩点,以及0.2d B的平坦度,转换增益为-3~-2d B。
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