随着人们对于无线通信系统数据率需求的不断提高,即将到来的5G通信时代越发引入注目。而射频毫米波片上收发系统作为5G通信系统的重要硬件支撑部分,已经在学术界和工业界掀起了研究与设计的热潮。与传统III-V族化合物工艺相比,硅基工艺具有低功耗、低成本、易与数字后端集成等优点。随着硅基工艺的飞速发展,先进硅基工艺下晶体管的特征频率不断提高,已经可以满足大部分射频毫米波集成电路设计的需求。这些优势使得在硅基工艺上实现收发系统成为一个很好地选择。随着前端收发系统工作频率的不断提高,大量的无源器件,诸如片上电感或片上变压器等,已经被用在射频毫米波集成电路中来实现诸如匹配、差分单端转换等功能。然而,芯片工艺商通常仅提供20GHz频段内电感模型,一般不提供变压器模型。此外,工艺商提供的无源器件结构有限,电路设计人员往往还需要设计新的结构来满足实际应用需要,而无源器件建模技术既可以为新的无源结构的设计提供指导,也有利于建立新无源结构的仿真模型。因此,无源器件建模技术在射频毫米波集成电路的设计中发挥着至关重要的作用。本文主要研究了硅基毫米波无源器件的建模以及参数提取方法,并将其应用到毫米波下变频混频器设计中。本文主要研究内容如下:(一)基于对硅基无源器件能量损耗机制的分析,建立了适用于射频毫米波频段的片上电感单π等效电路模型以及模型参数提取方法。由于单π模型存在一定的局限性,又进一步提出了电感双π等效电路模型。通过实际流片,对多个测试结构进行测试,并将等效模型仿真结果与实际测试数据进行对照,从而在低频到35GHz范围内验证了模型的准确性。(二)在对片上电感建模技术研究的基础上,进一步研究了片上变压器的等效电路模型,建立了片上变压器的集总元件等效电路模型,并提出了模型元件参数提取方法。为了验证该等效电路模型准确性,基于CMOS 40nm工艺设计了多种测试结构,并进行了流片加工。利用S参数测试系统平台进行了测试,经过去嵌入后的测试结果与模型仿真数据高度拟合,表明了该等效电路模型在低频到35GHz具有很高的准确性。(三)在研究了片上无源器件建模技术后,基于CMOS 65nm工艺设计了一款应用于5G通信系统的下变频混频器。在前面章节无源器件等效电路模型研究的指导下,设计了混频器中用到的重要无源结构,主要包括正反馈式变压器和变压器式巴伦。经流片加工后,测试了该混频器芯片的电压转换增益、1dB压缩点,由于测试设备限制,没有完成噪声系数的测试。最终,该混频器在37.5~40.5GHz频率范围内,功耗为21mW(包含中频输出缓冲器功耗),最大电压转换增益为1.8dB(包含各端口巴伦损耗),输入1dB压缩点-3dBm,仿真最小噪声系数为10.9dB,且该混频器测试结果与仿真结果基本一致。