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随着无线通信技术日趋成熟,用户对无线传输的需求也越来越大,传统的无线电波频段已变得拥挤不堪。鉴于毫米波频段存在大量未征用的频段,在无线通讯领域具有巨大的潜力,因此毫米波通信系统应运而生,作为其中的重要一环,毫米波压控振荡器(Voltage-controlled Oscillator,VCO)逐渐成为了国内外学者重点研究的对象之一。本文针对毫米波VCO进行了研究,研究并设计了工作在140与220GHz频段的VCO电路,其主要内容如下:首先,文中介绍了毫米波在大气中传播时的衰减以及“大气窗口”的概念,随后讲述了毫米波收发系统及其应用,并总结了国内外的毫米波VCO的研究现状、电路结构、设计方法、所用工艺以及各项性能指标。其次分析了振荡器的基本原理并给出了几种典型的振荡器结构,同时介绍了VCO的各项重要参数以及若干设计时需要考虑的因素,为电路设计奠定理论基础。最终设计并实现了以下几款VCO电路:1、140GHz频段差分VCO。该VCO基于0.45um In P HEMT工艺设计,采用差分电容三点式结构,设计时的信号传输线采用微带线结构,振荡核心管工作在零栅极偏压下。考虑到工艺的偏差,设计时预留了5-8GHz的振荡频率,整个VCO的振荡频率范围为145.3-148GHz,输出功率均大于0.1d Bm,最高为0.44d Bm,相位噪声性能良好并且在147.8GHz时达到-97.1d Bc/Hz@1MHz。2、140GHz频段Colpitts VCO。该VCO基于1um In P HBT工艺设计,电路采用单管结构,在全频带内具有3d Bm以上的输出功率,最高达到4.1d Bm。电路设计时信号传输线由带有地屏蔽层的微带线实现,振荡频率为138-141.8GHz,并且具有相对较好的调谐线性度,相位噪声在全频带内稳定在-80.5d Bc/Hz@1MHz左右。3、140GHz频段带有基极反馈电感的共基极交叉耦合VCO以及采用变压器改进后的电路。设计基于1um In P HBT工艺,采用更适合高频率振荡器的共基极交叉耦合结构,同时,使用基极反馈电感提升振荡器负阻部分的大小,改善起振状态。VCO的振荡频率为137.4-141.2GHz,输出功率在1.5d Bm以上,相位噪声在全频带内为-82d Bc/Hz@1MHz左右。随后提出并设计了片上无源变压器对该电路结构进行了改进。改进后的电路采用了2对变容管来增加其频率调谐范围,最终实现了140-150.7GHz左右的振荡频率,输出功率在大部分频带范围内大于2d Bm,而且比之前的电路具有更好的相位噪声性能,基本在-87d Bc/Hz@1MHz左右。4、220GHz频段耦合线VCO。该VCO基于1um In P HBT工艺设计,在传统的push-push共发射极交叉耦合振荡器的基础上,设计并采用了耦合线代替反馈路径中的隔直电容和负载电感,并且使用基极偏置电压VBE进行调谐,取二次谐波输出,最终实现了217-237GHz的振荡频率,输出功率在-2.9d Bm左右,全频带内相位噪声性能基本在-90d Bc/Hz@1MHz左右,并且具有良好的调谐线性度。