为了满足人们对于无线通信系统日益增长的数据率要求,学术界和工业界掀起了硅基射频毫米波片上多通道系统研究与设计的热潮。本文对硅基射频毫米波多通道前端系统以及其关键电路模块(移相器和低噪声放大器)开展了深入的研究。本文主要研究内容可分为五部分。(一)通过对于硅基场效应管版图的分析,建立了适用于毫米波和亚毫米波频段的外部寄生模型以及模型参数经验可伸缩模型。采用电磁仿真方法,对模型进行了验证。基于场效应管版图寄生参数的研究,对差分对和交叉耦合对的版图结构进行了优化,从而提高其射频性能。(二)采用行为级模型分析了无噪声(低噪声)有源输入匹配网络对无电感电路结构噪声性能的影响。提出采用噪声抵消技术来实现低噪声有源输入匹配网络的设计方案,实现了宽带无电感低噪声放大器的设计。相比于传统噪声抵消低噪声放大器,该设计有效地降低了直流功耗。在电路分析中,研究了该结构中两个并联有源支路间相位失配对噪声的影响,采用电路仿真验证了该理论分析。(三)为了降低硅基毫米波有源移相器的插损和功耗,提出了基于可调电流分配技术的矢量合成结构。为了进一步降低功耗,还采用了基于巴伦的电流复用技术。采用90nm CMOS工艺,设计了一款基于该结构的4位有源移相器,实现了1.1dB的最大平均增益和2.3~7.6°的移相均方根误差,而直流功耗只有19.8mW。(四)提出了级间变压器跨导增强技术和极点调谐技术来改善共源结构毫米波放大器的增益、噪声系数、功耗以及带宽。基于这两项技术,设计了一款54.4~90GHz超宽带低噪声放大器,其同时还具备良好的功率增益(17.7d B@67GHz)、较小的噪声系数(5.4dB@65GHz)和较低的直流功耗(19mA)。基于级间变压器跨导增强技术,进一步设计了一款V波段硅基低噪声放大器,在只消耗10mW直流功率下,实现了3.9dB的最小噪声系数和17.4dB的增益。(五)基于上述研究,进一步开展了硅基Ku波段双通道相控阵收发前端系统的研究与设计。该系统采用全差分结构来减小版图寄生效应和封装的影响。其实现了5位的移相精度和4位的幅度精度。