硅基毫米波宽带频率综合器研究与设计

作     者：何田叶 

作者单位：华东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：石春琦;张润曦

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 

主      题：CMOS 毫米波 频率综合器 超宽带压控振荡器 超宽带注入锁定分频器 

摘      要：传统的无线通信技术已经难以满足未来无线通信的需求,人们对第五代(5G)无线通信系统的研发越来越迫切,毫米波因频谱丰富等优点成为了5G无线通信的良好选择。本文根据未来5G可能采用的高频频段的调研结果,设计了一款可提供44GHz8GHz以及22GHz9GHz正交本振信号的整数N型电荷泵锁相环频率综合器,其基于直接变频收发机和外差式收发机的系统结构,即可应用于国际移动通信以及中国工信部所提出的未来5G所有高频候选频段的通信系统中。本文的主要研究内容和成果如下:1.调研了目前国际上先进的毫米波正交频率综合器以及毫米波宽带VCO可达到的性能,根据调研结果将本文中毫米波宽带正交频率综合器的性能指标定为:相位噪声小于-90d Bc/Hz@1MHz和-115d Bc/Hz@10MHz、杂散小于-60d Bc、正交相位误差小于3o、锁定时间小于6μs。分析了电荷泵锁相环频率综合器的稳定性、噪声和参考杂散,并根据制定的性能指标要求,借助于CPPSIM和MATLAB等环路仿真软件设定了锁相环的环路参数。2.对毫米波压控振荡器(VCO)的相位噪声和宽带技术进行了研究和分析,提出了一种新型的开关耦合传输线(SCTL)宽带技术,通过45nm SOI CMOS工艺的流片测试验证,SCTL-VCO的调谐范围达到了39.46GHz8.42GHz(38.74%),相比于没有采用SCTL的VCO,其在几乎没有恶化相位噪声、增加功耗和面积的前提下,调谐范围提高了29.2%,FOMT提高了2.6d B.2d B。最后基于SCTLVCO的结构,结合同相注入耦合网络,设计了一款低相位噪声的宽带正交压控振荡器(QVCO),后仿真结果表明,该QVCO的频率调谐范围为44.23GHz7.67GHz(26.38%),10MHz相位噪声为-119.0d Bc/Hz121.57d Bc/Hz,正交相位误差为2.2o。3.设计了一款应用于毫米波频率综合器的分频器链,其由正交注入锁定分频器(QILFD)、三级静态CML分频器和NPS可编程分频器组成。提出了一种超宽带正交注入锁定分频器的结构,其采用差分互补反相注入的方式实现正交,并结合开关耦合传输线技术以及与QVCO模拟、数字双共调谐的技术提高锁定分频范围。后仿真结果表明QILFD的锁定分频超宽带范围为42.6GHz0.7GHz(35%),正交相位误差为0.29o,三级CML分频器的分频范围为1.5GHz8.4GHz,NPS可编程分频器的分频比从38到53连续可调。4.分析了鉴频鉴相器(PFD)和电荷泵(CP)的非理想性,针对其非理想性的优化,采用了差分互补电流源开关、比较器反馈电路和单位增益缓冲器等技术以减小CP的动态和静态电流失配,此外,CP采用可编程电流以使环路带宽维持在700k Hz00k Hz。后仿真结果表明CP在输出电压为0.5V.0V内的静态电流失配小于0.43%,动态电流失配所引起的杂散为-75.4d Bc,1MHz处的电流噪声为-233.1d Bc/Hz。5.基于Fujitsu 55nm CMOS工艺,设计了一款包含上述的QVCO、分频器链和PFD/CP模块以及滤波器等模块的毫米波锁相环频率综合器,完成了全芯片的版图设计。最终整个芯片的面积为2.7mm*1.1mm,具有提供44.23GHz7.67GHz和22.12GHz8.84GHz正交信号的能力。环路仿真结果表明,频率综合器在56.87GHz处的相位噪声约为-90d Bc/Hz@1MHz和-115d Bc/Hz@10MHz;全芯片后仿真结果表明,参考杂散为-68.9d Bc,锁定时间小于6μs。