随着微波单片集成电路技术的发展,毫米波MMIC芯片的制造加工技术日益成熟,由于毫米波具有分辨率高、带宽大等特点,已经逐渐在雷达探测、毫米波成像、精确制导、点对点局域通信、毫米波防撞雷达等军民领域得到大量应用。近年来,随着“大数据”、“人工智能”及移动互联网时代的来临,万物互联的智能化需求日益迫切,人类需要快速、实时地在任何地点能够处理海量的信息,传统的3G、4G移动通信技术的带宽瓶颈愈加凸显,因此,迫切需要更大带宽的移动通信技术来适应这种新技术的发展,然而,由于微波技术多年的发展,低频段频谱资源已经拥挤不堪,迅速衰竭,无线通信及设备技术不得不向毫米波及更高频段寻找资源,5G毫米波通信技术便应运而生,迅速成为当前工业界及学术界的研究热点。相比传统的通信技术,5G通信技术具有更高的调制带宽、更复杂的调制模式,因此对系统的线性度指标和EVM指标有着更高的要求,然而,由于毫米波芯片工作频率的提高,其噪声系数、线性度、相位噪声、效率等关键性能指标较低频出现明显的恶化,虽然毫米波工作可以在理论上提供丰富的带宽资源,但是器件及电路性能又会因为高频工作而形成不可避免的损失,使得毫米波通信用芯片的研发更为艰难。虽然毫米波MMIC芯片已经在不同领域得到应用,但是大多数芯片产品集中在传统的探测、雷达领域,尚未形成全面面向线性度、EVM、效率等通信系统关键指标兼顾的设计方法,加之高频电磁场耦合效应明显增加、电磁场仿真技术的精度恶化等原因,导致毫米波电路设计技术出现很多新的挑战,本文在这种背景下,通过仔细研究器件模型在高频出现的新情况,探索了毫米波高精度模型提取方法,面向毫米波通信系统的要求,研究不同功能电路的设计理论和方法,最终完成了LNA、PA、Mixer、Multiplier及VCO多种芯片的设计和实际验证,通过这些芯片的设计与制作,为5G毫米波通信电路设计探索了一些重要的思路方法。主要研究内容及研究成果分为以下几个方面:1.为了提高毫米波MMIC设计的精度和成功率,本文研究了毫米波器件模型提取技术。从分析器件模型在高频工作时的分布效应、寄生效应等方面开始,分析了器件模型在毫米波工作时的特点,研究了器件的自热效应、DC-AC色散效应,分布效应等几种高频效应以及电磁场仿真边界条件校准技术,分析了目前使用毫米波器件模型的主要误差来源,提出了一种栅宽、栅指数可以任意精确缩放的小信号模型提取技术,为后续的电路设计提供了很好的基础。2.研究了毫米波功率放大器的效率与线性度兼顾设计问题,通过分析高效率放大器设计中的谐波控制、低损耗匹配网络、有源动态偏置、及高线性“甜区”设计等几种关键技术,研究了器件谐波控制技术和线性度技术的关系及折中的设计方法,同时对功率放大器设计中最为重要的奇模振荡、杂散及分频、栅电流设计等问题进行了研究,最终利用“甜区”偏置和高效率谐波控制补偿结合的方法实现了线性度和高效率性能的折中设计,通过一种Ka波段平衡式功率放大器和一种W波段高功率放大器验证了设计方法的准确性,实现了毫米波通信发射系统关键芯片的设计技术研究。3.研究了毫米波VCO低相位噪声设计技术。通过分析相位噪声的形成机理和物理来源,对比不同形式拓扑结构的VCO电路,讨论了低相位噪声VCO设计的关键技术,通过负阻振荡方法研究了电路的起振和稳定条件对VCO设计的指导作用,详细研究了振荡器地相位噪声设计的偏置选择方法,归纳总结了互相锁定技术在低相位噪声VCO设计中的关键作用,最终通过制作Ka波段和W波段两种VCO MMIC,为高频通信系统的信号源开发做出了探索。4.为了提高毫米波混频器和倍频器的相位噪声、线性度等性能,研究了电路平衡性对电路线性度、相位噪声等性能指标的影响,总结了混频器和倍频器的相位噪声及非线性的来源,分析了巴伦、正交耦合器不平衡性对通信系统的相位噪声及线性度的影响机理,并提出了相应的设计改进方法;同时从二极管非线性模型,高性能混频二极管技术方面研究了限制无源混频器中工作带宽和性能的因素;分析了二极管饱和特性和IQ混频器镜像抑制度的关系,研究了混频器交调信号的产生机理和主要来源和线性化设计技术。最终参考这些理论设计了Ka波段管堆式双平衡混频器、W波段单平衡混频器、C波段宽带IQ混频器和V波段IQ混频器等多款混频器芯片;同时研究了毫米波倍频源的设计方法,通过分析不同电路拓扑的优缺点,分析了E类倍频、平衡式倍频、F类倍频等类型的设计方法,对倍频器及其缓冲放大器的设计要点进行了分析,最终实现了Ka波段高抑制度有源四倍频器芯片及完整的毫米波系统变频电路的设计方案。5.为了提高毫米波低噪声放大器的设计精度,研究了毫米波低噪声放大器的精确设计方法。从分析器件的噪声性能及不同噪声模型的区别入手,结合经典的两端口噪声理论,仔细分析了器件单指栅宽和栅指数的寄生、分布效应,研究了器件偏置点对噪声系数如何施加影响,最终提出了一种可以精确量化的低噪声设计放大器方法,分析得出了最佳单指栅宽和栅指数、最佳偏置工作点、最佳负反馈电感等条件的精确量化依据,同时根据理论分析并提出了面向宽带、窄带要求工作时低噪声放大器设计的设计流程,通过一款W波段低噪声放大器芯片验证了设计理论的正确性,为毫米波接收前端的设计打下了基础。本论文中通过研制几种典型的毫米波电路MMIC,对相关电路设计理论和方法进行了细致的探索,这些理论和方法具有一定的学术和工程价值,文中所有芯片的制作和研制均是基于南京电子器件研究所(NEDI)的化合物半导体工艺平台,其中多款产品已经大量在通信等装备中使用,解决了我国在毫米波雷达、通信领域中一些关键性元器件的国产化,为我国自主研发毫米波芯片做出了一定的探索。本论文主要有以下几种创新性研究成果:(1)提出了一种可有效提高毫米波器件模型精度,并在毫米波频段可实现精确缩放的分布式器件建模技术。研究了毫米波器件模型提取技术中的误差来源,通过对器件高频分布效应、交直流色散效应,以及等器件模型精度的分析,提出了无源校准结构设计和电磁场仿真误差修正方法。利用该模型,设计并制备出输出功率大于5W的3mm波段氮化镓功率放大器芯片,技术指标国际领先。(2)采用F类功率放大和“线性甜区”结合的方法,设计并制备了一种平衡式Ka波段高效高线性中功率放大器芯片。芯片具有附加效率高、线性度指标优良、对负载阻抗变化不敏感等优点,已经成功用于国内的军民电子领域。(3)提出了一种基于最小噪声系数、噪声电阻、器件尺寸等物理参数分析的毫米波低噪声放大器芯片的全局优化性设计方法,避免了传统低噪声电路设计经验引入的随意性,并设计出一种W波段平衡式低噪声芯片,实测结果表明噪声系数等性能良好。