硅基CMOS毫米波移相器的研究与设计-电路与系统专业论文.docxVIP

摘要 摘要 I I 摘 要 社会的发展和进步使得人们对具有高数据传输速率、大接入容量的无线通信 系统的需求越来越强烈，现有的无线通信标准受限于有限的频谱和信道资源，很 难满足这些的要求。基于相控阵结构的毫米波通信系统是解决这些问题的潜在技 术方案，而硅基 CMOS 技术的发展进步使得低功耗、低成本和高集成度的相控阵系 统单片集成成为可能。作为其中的关键电路模块，移相器的设计至关重要，本文 主要目的就是研究利用 CMOS 工艺设计出高精度、低功耗的毫米波移相器。 本设计采用基于矢量合成技术的有源结构以提高电路的信号增益、克服硅基 工艺的高插损特性对移相器性能的限制。整个电路结构分为三个主要部分，包括 可变增益控制单元、正交信号发生器以及信号合成器。为了减小电路的面积和功 耗，电路没有使用全差分的结构形式而是在传统结构的基础上进行了改进。可变 增益单元被提到电路的第一级，它在控制信号的作用下对输入信号进行离散的增 益控制，并将两路不同大小的同相信号分配到下一级；正交信号发生器由电容电 感组成的高低通网络来实现，它具有频带宽、低损耗的特点；信号合成器由两个 Gilbert 单元电路组成，它分为两级结构，其中的共源放大器对信号进一步放大以 补偿无源正交网络的损耗，另一部分则在控制信号作用下对合成信号的极性进行 选择。除此之外，电路中使用了基于电流复用的技术片上巴伦将两路正交信号转 化为四路差动信号，这样既可以减小电路面积又降低了直流功耗。 该 60GHz 有源移相器采用 TSMC 90 nm RF CMOS 工艺进行设计，经流片测 试：移相器可以实现 360o 范围内 4bit 相位精度，在 57~64GHz 频率范围内，16 个 相位状态下均方根增益误差为 0.75~1.6 dB，均方根相位误差为 2.3o~7.6o。电路的 噪声系数为 9~12dB，移相器的峰值功率增益约为 2.5dB(@60.5GHz)，整个芯片的 面积约为 0.61mm2，在 1.8V 的供电电压下电路功耗为 19.8mW。 关键词：毫米波，CMOS，60GHz，有源移相器，矢量合成 AB ABSTRACT II II ABSTRACT With the development of the society, the demand of wireless communication systems which have massive wireless data traffic and large access capacity are more and more stronger. However，by the restriction of the scarce spectrum and limited channel resources ，the existing wireless communication standard s are hard to meet these requirements. Millimeter wave communication system based on phased array structure is a potential technology solution to handle these challenges, what is more，the extraordinary progress of silicon-based CMOS technology make the inexpensive monolithic integration phased array system which also has low power consumption is possible. As one of the key building block in phased array system, phase shifter is crucial. The main purpose of this paper is to research how to design a high precision and low power millimeter wave phase shifter of in CMOS process. The high insertion loss of silicon process seriously limits the performance of RF phase shifters, so an active structure based on vector summing technique is adopted in this des