由Edholm定律推断:在2020年,无线通信系统的数据传输速率将会达到10 Gbps左右甚至更高,可以实现大容量、高速数据传输的毫米波无线通信系统成为研究热点。混频器是无线通信系统收发前端的关键电路模块之一,特别是对于100GHz以上的频段,商用的低噪声放大器或者功率放大器极其昂贵或难以实现,混频器可能会成为接收机的第一级或发射机的最后一级,其转换增益、噪声等性能指标与系统性能息息相关。目前针对60 GHz以下频段已将有许多方法和拓扑结构用于改善混频器的转换增益、3dB带宽等性能指标,但是也引入了许多其他的问题,如芯片面积增大等;同时,100 GHz频段混频器多采用传统结构,其所占芯片面积也比较大。因此,本论文围绕毫米波单片集成混频器设计及其小型化这一研究方向,从无源器件和电路架构等方面着手,深入讨论了电路小型化的设计方法,完成的主要工作与创新如下:1)针对毫米波频段片上无源器件模型不准的问题,对高频建模方法开展深入研究。论文分析了影响片上无源器件高频性能的各种寄生效应和损耗机制,对常用的建模方法进行归纳、总结,并结合片上无源器件的特点,分别采用三维电磁场仿真工具HFSS和Momentum进行电磁场全波仿真建模,并根据测试结果对模型参数进行修正。由测试和仿真建模结果对比可知,在0.1 GHz到220 GHz频段内,所建立的仿真模型可以有效地表征传输线等片上无源器件的频率特性。2)为了降低V波段单片集成次谐波混频器电路制造成本、拓展工作带宽,提出了两种不同的基于集总元件的小型化设计方法,还采用螺旋式结构进一步减小Marchand巴伦的尺寸;此外,还通过电路的优化设计,改善耦合器和巴伦的输出不平衡度,有效的拓展了混频器的工作带宽。其中,采用改进型准集总拓扑结构的V波段次谐波混频器已流片验证;测试结果表明:转换增益为-13.5±1.5dB,3dB带宽为20GHz。该方法可以在没有牺牲转换增益、带宽等性能的前提下,减小芯片面积;该电路在已有的基于化合物工艺的同类型报道中面积最小。3)为了解决D波段单片集成混频器电路的设计方法的问题,采用四分之一波长开路枝节和二分之一波长短路枝节实现对本振和射频信号的回收,设计了一款传统结构的次谐波混频器。由测试和仿真结果对比可知,在110 GHz到145 GHz的频段内,转换增益为-17±3 dB,两者具有良好的一致性;与目前所报道的D波段次谐波混频器相比,该电路还具有突出的综合性能指标。4)为了解决串联或并联集总元件减小芯片面积的方法在高频不再适用的问题,提出一种改进型非对称三耦合线加载射频和本振信号,完成了 一款面积更加紧凑的D波段次谐波混频器。与传统结构相比,面积减小了 30%,节省了制造成本。测试结果表明,转换增益最大值为-13.9 dB,3dB带宽为32 GHz。在转换增益等性能均可比拟的前提下,该电路是目前所报道的基于化合物工艺的面积最小的D波段次谐波混频器。5)为了解决不同类型的混频器射频、本振信号共用同一个匹配电路的问题,研究了不同偏置电压和本振信号驱动下FET大信号的阻抗变化趋势,完成了 一款阻/漏双模的无源基波混频器。测试结果表明,工作在阻性状态时,转换增益的最大值为-8.0dB;工作在漏极状态时,转换增益的最大值为-4.4dB。与目前所报道的基于化合物工艺的同频段电路相比,该电路在转换增益、3 dB带宽等方面性能比较突出,具有卓越的FOMs,是目前国内所报道的第一款基于化合物工艺的D波段基波双模混频器。论文以70nm GaAs mHEMT和1um InP DHBT工艺为背景,对影响片上无源器件高频性能的各种寄生效应和损耗机制进行了详细分析并建立了相关的电磁场仿真模型;还从无源器件和电路架构出发,设计了三款不同类型的V波段单片集成次谐波混頻器、两款D波段单片集成次谐波混频器和一款D波段单片集成阻/漏双模基波混频器。论文在对毫米波频段单片集成混频器设计及其小型化研究中所做的具有创新性的工作,对于毫米波片上无源器件仿真建模以及单片集成混频器电路的设计均具有一定的学术和应用价值。