随着网络时代的到来,用户需求从网页浏览和电子邮件扩展到高清视频流和高速下载,这要求网络提供的数据速率必须越来越快。802.11ac(5GHz)通过要求射频收发机使用更宽的信道带宽、更高阶的调制、更多的空间流和天线、多用户MIMO技术,将数据速率提高至1Gbps。这些新技术使射频收发机在带宽、噪声、线性度等性能指标上面临很大挑战,本文将在系统集成和小型化方面展开研究。另一方面,毫米波频段可以提供丰富的带宽资源且尚未被大规模开发,成为下一代无线通信的热点频段。自适应波束成型技术是毫米波通信的关键技术,高性能的开关和衰减器是实现这一技术所大量使用的器件,但是目前相关的研究报道较少,本文也将在这一方面展开研究。论文的主要内容和创新点如下:1)针对IEEE 802.11ac(5GHz)标准,理论分析了实际射频电路的非理想特性对MIMO宽带射频收发机性能的影响,提出了有效的优化方案,设计了8×8 MIMO宽带射频收发机。该射频收发机采用TDD(time-division-duplex)模式,中心频率位于5.8 GHz,射频信道带宽80MHz,支持最大8×8的MIMO传输配置。测试结果表明,该射频子系统最大线性发射功率为23dBm,接收机噪声系数为6dB,灵敏度为-70dBm,动态范围达到50dB,全向天线增益为8 dBi,在高达80 m的覆盖范围内传输速率高于1 Gbps。研究成果已发表在国际刊物Microwave Journal上。2)针对放大器稳定性的问题,通过等效电路图,理论推导了功放绝对稳定的条件。采用负载线匹配方法设计了一个AB类功放,与传统的负载牵引法相比,更加简单直观。基于0.25μm GaAs PHEMT工艺,进行了实验验证,给出了仿真与实测对比。测试结果表明,该功放全频段稳定,在5.8 GHz处增益为26 dB,输出1 dB压缩点为+22 dBm。3)针对双平衡混频器中平面螺旋变压器式平衡-不平衡变换器尺寸过大的问题,在开路端和短路端均使用电容补偿,显著改善了其尺寸和平衡度。采用集总元件进行内部匹配和滤波,保证混频器正常变频增益的同时,提高了本振隔离度。基于0.25μm GaAs PHEMT工艺,进行了实验验证,给出了仿真与实测对比。测试结果显示,该混频器下变频增益为-7dB,上变频增益为-5.4dB,射频3dB带宽为4-7.5GHz,中频3dB带宽为0.3-3GHz,系统工作频段内的本振隔离高于35 dB,优于典型商业芯片。4)针对开关的隔离度和插入损耗在毫米波高频段迅速恶化的问题,提出一种新的紧凑型分布式结构。通过将场效应管作为传输线的一部分,消除了有害的寄生电感,提高了开关的工作带宽。采用了堆叠场效应管,使得开关承受功率的能力得到大幅提升。基于0.1μm GaAs PHEMT工艺,给出了理论分析、仿真对比,并进行了实验验证。测试结果显示,该开关在30-75 GHz频段,插入损耗低于3 dB,隔离度高于40 dB。在31GHz处,测得输入1 dB压缩点为+20.2 dBm。该开关在10-95 GHz隔离度大于30 dB,据作者所知,这是文献记载中宽带隔离性能最好的毫米波单刀双掷开关。该研究成果已在国际核心刊物IEEE Microwave and Wireless Components Letters上发表。5)针对衰减器插入损耗过大而增加系统功耗的问题,提出了一种降低衰减器损耗的方法。通过去除传统开关T型衰减器中的串联场效应管和电阻,同时将并联到地支路上的电阻用电容取代,改善了低衰减比特位的插入损耗。基于0.15μm GaAs PHEMT工艺,给出了理论分析、仿真对比和实验验证。实验结果表明,该六比特衰减器工作于40-50 GHz,在40 GHz处插入损耗为6.5 dB,幅度均方误差低于0.8dB。据作者所知,这是第一款工作在Q波段且衰减范围达到31.5dB的数字衰减器。针对衰减器相移过大而引起的系统跟踪误差和额外校准工作的问题,提出一种降低衰减器相位误差的方法。在8dB和16dB衰减单元采用反射型衰减器结构,理论推导出满足低相移条件的反射负载。仿真结果显示,采用此结构的衰减器相移和插入损耗性能远优于普通结构衰减器。基于0.15μm GaAs PHEMT工艺,给出了理论分析、仿真对比和实验验证。测试结果表明,该六比特衰减器工作于30-35 GHz频段,插入损耗仅为3.7 dB,幅度均方误差低于0.85dB,相位均方误差低于11o,在30-33 GHz仅为8o,其输入1dB压缩点高达+24.65 dBm。本章部分研究成果已在IEEE Asia Pacific Microwave Conference国际会议上发表。