CMOS亚毫米波片上天线与有源移相器技术研究

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21世纪以来,电子信息技术在国防建设中的地位逐步提升,军用防备对频谱资源的需求越来越大,另外,随着新一代移动通信技术逐渐兴起,数量日益剧增的无线终端设备连入网络,因此,毫米波及其以下频段的频谱资源已无法满足无线通信对容量、时延等性能的需求,发展频谱范围更广、信息容量更大和时延更短的亚毫米波(300 GHz~3000 GHz)/太赫兹(0.1 THz~10 THz)通信技术已迫在眉睫。近年来,随着硅基工艺特征尺寸的不断减小,栅长的缩短弥补了电子迁移率的不足,其射频性能得到了极大的提升,使得低成本、高集成度的硅基工艺成为亚毫米波/太赫兹集成电路研究的热点。首先,本文对提升片上天线的增益、辐射效率以及集成度等方面开展了调研和学习等研究工作,并基于 0.13-μm RF CMOS Silicon-On-Insulator(SOI)工艺,设计了一款400 GHz片上介质谐振器天线,其辐射模块首次采用新型八角槽结构,该天线在中心频率处具有10 dBi的增益,辐射效率为55%,E/H面的交叉极化均小于-25 dB,天线的核心面积为0.6×0.6 mm2(包含GSG焊盘的面积为0.88×0.88 mm2)。此外,本文基于55-nm CMOS工艺,设计了一款移相精度为22.5°且中心工作频率为170 GHz矢量合成型有源移相器。该电路主要包含三个模块,可变增益放大器模块(Variable Gain Amplifier,VGA)、正交信号产生器模块(I/Q)和矢量合成器模块(Vector Synthesis,VS)。可变增益放大器采用电流导引技术(Current Steering Technique),通过调谐电压可实现增益可调,输出两路同相不等幅信号;正交信号产生器采用π型高低通网络实现,在π型低通网络中,采用开路线作为等效电容,降低小电容的加工误差,π型高通网络中,采用类“U”型电感,缩减了电路面积;矢量合成器第一级采用共源共栅结构作为驱动放大器,补偿正交信号产生器的损耗;第二级采用两个吉尔伯特(Gilbert)单元,通过控制偏置电压对正交不等幅信号进行极性选择,合成不同的移相信号。有源移相器供电电压为1.8 V,直流功耗为20.4 mW,相位均方根误差为7.3°,芯片的整体面积为1.05×0.6 mm2(包含直流焊盘与GSG焊盘)。
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