随着无线通信由超高频向微波及毫米波频段的高速扩展,单片微波集成电路(MMIC)的应用范围正逐步从军用领域扩展到商用领域；同时随着微电子技术与工艺的飞速进步,芯片的集成度和工作频率也越来越高。更多的功能和更高的性能指标既推动了新型微波集成电路技术的发展,同时也对微波集成电路的设计及元器件的建模提出了更高的要求和更大的挑战。　　 一方面,片上无源器件在微波集成电路设计中应用广泛,其中巴伦(Balun)作为改善电路性能的重要元件在需要实现单端差分转换的电路中更是不可或缺。另一方面,低噪声放大器(LNA)和混频器(Mixer)作为微波接收器前端的核心器件,其指标直接影响到系统的性能。本文基于GaAs和SiGe工艺,研究毫米波低噪声放大器和混频器的设计理论及设计方法,建立Marchand Balun的等效电路模型,并结合电磁场仿真技术,通过无生产线集成电路设计方法研制出具有自主知识产权的高性能单片微波芯片,总结并积累微波与毫米波集成电路设计的方法和经验,从而为快速可靠地设计单片微波集成电路提供理论和实际意义上的借鉴和参考。主要内容及成果分为以下几个方面:　　 (1)论文首先对耦合线理论进行了研究。从传输线及奇偶模理论入手,对耦合微带线、耦合带状线宽边耦合线及多导体耦合线这几种基本类型进行了分析,并给出了这些耦合线的主要特性参数计算公式；基于奇偶模理论分析了对称及不对称耦合线的基本工作原理,为后续Balun的建模及共面波导电感的设计奠定了理论基础。　　 (2)基于耦合线理论和微波网络理论对Marchand Balun的结构进行了分析,对耦合线提出了一种2П等效电路模型,并构建了一种新型Marchand Balun模型；该等效电路模型的参数无需拟合,完全基于解析公式获得,并与SPICE标准电路仿真程序相兼容,可以快速方便地应用于MarchandBalun仿真,缩短了设计周期。首次提出并分析了内部互连线对Marchand Balun的性能影响,推导了带互连线的Marchand Balun端口网络S参数,得到了Marchand Balun的平衡度随互连线长度变化的一般规律。并基于0.15μm GaAs PHEMT工艺设计了带有互连线的Marchand Balun,　　 通过测试验证了所提出的模型和理论分析的正确性。　　 (3)基于0.15μm GaAs PHEMT工艺对Ka波段无源双平衡混频器进行了设计与研究。首先对混频器的核心元件二极管进行了分析,得到了在带内最优本振驱动功率和二极管参数。然后对混频器的射频(RF)输入端的Balun提出了一种改进措施--在Balun的输出端使用了开路短截线,补偿了Balun输出端的不平衡,有效地减小了混频器的变频损耗。另外对混频器的本振(LO)输入Balun进行了改进,使用三线耦合结构替代Marchan Balun中的二线耦合结构,降低了Balun的损耗。同时对混频器的关键部分进行了电磁场仿真分析,使用电路与电磁场协同仿真的方法优化了版图设计。变频损耗的测试结果与仿真结果吻合较好。测试的变频损耗小于8dB,本振到射频端口的隔离度小于-26 dB,本振到中频端口的隔离度小于-25 dB。　　 (4)基于0.15μm GaAs PHEMT工艺对Ka,波段IQ混频器进行了设计与研究。对构成IQ混频器的90°定向耦合器和-3dB功分器分别进行了分析和设计,采用对称布局的方法设计版图有效的改善了镜像抑制,并使用电磁场与电路协同仿真对其版图进行了优化。该IQ混频器以双平衡混频器为核心,中频输出为DC～6GHz,测试的变频损耗小于9dB,镜像抑制比大于20dB。另外对混频器端口隔离度的仿真结果进行了分析,并找出了导致其误差的主要因为。　　 (5)基于0.13μm SiGe BiCMOS工艺对毫米波低噪声放大器进行了设计与研究。根据晶体管等效电路模型提出了一种适用于毫米波的LNA结构,该结构使用级间电感匹配的方式可以有效地改善增益和降低噪声,并根据管子的特性省去了发射级电感,缩小了尺寸。分析并设计了低噪声放大器的输入和输出匹配网络,在匹配网络中使用共面波导传输线电感取代了普通电感,有效改善了电感的Q值,并结合电磁场仿真优化了电感版图。该低噪声放大器的工作频率为40GHz,测试的输入回波损耗小于-15 dB,输出回波损耗为-14.6 dB,增益为8.6 dB。测试结果与仿真结果吻合很好,既验证了所提出结构在毫米波低噪声放大器设计中的可行性,同时也间接验证了共面波导传输线电感设计的正确性。　　 (6)总结了在毫米波频段下无源混频器设计的一般规律。归纳了毫米波低噪声放大器设计中需要注意的一些问题,并给出了相应的解决措施供参考。这些方法和经验同样可以推广至其它微波/毫米波集成电路的设计。　　 论文以当前最先进的0.15μm GaAs PHEMT工艺和0.13μm SiGe BiCMOS工艺为背景,从微波耦合线理论出发,对Marchand类型的Balun进行了详细分析并建立了模型,设计了两种不同类型的Ka波段混频器和一种毫米波低噪声放大器。论文在对Marchand Balun、混频器及低噪声放大器的研究中所做的具有创新性的工作,对于毫米波无源器件的建模与单片集成电路的设计均具有一定的学术和应用价值。