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2019年是5G商用元年,同时,6G通信技术也已被世界各国提上研究日程,受益于“万物互联”的通信理念,无线互联将超越传统通信方式,转向广泛意义上的万物通信和人机通信。在此背景下,研制高传输速率、大信号容量的无线通信收发系统成为现今最受关注的热点之一。无线通信收发系统的研发、调试和维护均需要相应的电子测试仪器提供准确可靠的测试数据支撑。本论文以毫米波电子测试仪器和相关系统为应用背景,围绕毫米波宽带混频芯片设计,深入讨论了混频芯片实现宽频带的电路拓扑结构和设计方法,采用Win公司提供的商业0.1μm GaAs pHEMT工艺设计了4款不同拓扑结构的宽带混频芯片,论文的主要研究工作和成果如下:(1)基于Marchand巴伦的平衡式混频器具有实现超宽工作带宽的潜力,为此深入研究了Marchand巴伦的基础理论,提出采用三耦合线Marchand巴伦拓展混频器带宽并兼顾芯片的面积,该巴伦尺寸参数多,设计较为复杂。为了简化三耦合线Marchand巴伦的设计过程,采用矩阵级联和奇偶模分析理论构建了巴伦S参数矩阵模型。此外,鉴于阻抗曲线的连续性且不存在突变奇点的理念,提出了一种基于Smith圆图的多频点宽带匹配法,该方法操作简单,在芯片宽带设计方面具有较为广阔的应用前景。(2)基于三耦合线Marchand巴伦S参数矩阵模型,提出了一种三耦合线Marchand巴伦的快速设计方法,有效解决了巴伦仿真设计需反复迭代,占用大量的时间和计算机资源的问题。采用巴伦S参数矩阵模型和快速设计方法,设计了一款基于小型化三耦合线Marchand巴伦的全W波段单平衡混频芯片。测试结果表明,该混频芯片在75-110GHz的频率范围内,变频损耗为8.8-12.5 dB,本振端与射频端之间的隔离度均在20 dB以上,芯片面积仅有0.53 mm×0.56 mm,该工作已发表于中文核心期刊《电讯技术》。(3)为了拓展双平衡混频结构的中频带宽,提出了一种新型中频引出结构。基于该结构与三耦合线Marchand巴伦设计了一款超宽带双平衡基波混频器,该混频芯片的中频引出结构能够与射频巴伦复用,与传统双平衡混频芯片相比,芯片面积减少了20-30%。测试结果表明,双平衡基波混频芯片实现了35-95 GHz的射频工作带宽和DC-30 GHz的中频工作带宽,在射频带宽范围内的变频损耗为7.2-11.9 dB,本振端和射频端口之间的隔离度的典型值均在30 dB以上。该电路是国内外目前已公开发表的毫米波宽带混频芯片中带宽性能最优越的之一,该成果已发表于SCI期刊IEICE Electronics Express。(4)为了提升传统基于Anti-parallel diode pair(APDP)结构次谐波混频器的带宽和隔离度,提出了一种新型高隔离度平衡式次谐波混频拓扑。在理论层面,详细分析了电路可行性、设计思路和依据,证明了该次谐波混频拓扑有着天然的本振到射频端的隔离度。在电路设计层面,基于该拓扑设计了一款宽带高隔离度全E波段平衡式次谐波混频芯片,采用了弯折的三耦合线Marchand巴伦和宽带阻抗匹配电路扩展射频工作带宽。仿真结果显示,该混频器在55-95 GHz的射频范围内的变频损耗为10-13 dB,本振到射频端的隔离度典型值为50 dB,其余各端口隔离度表现良好(由于时间限制,该芯片并未实际测试)。(5)在基于APDP结构和四分之一波长微带线的次谐波混频器拓扑中,单枝节的开路/短路微带线是限制混频器工作带宽的最主要的原因,本论文提出了一种多枝节并联宽带匹配网络,该结构简单且易于设计,该宽带匹配网络可将传统的基于四分之一波长微带线的次谐波混频器的带宽提升至原本的2-3倍。本论文采用多枝节并联宽带匹配网络设计了一款全W波段次谐波混频器。仿真结果显示,该混频芯片的射频工作带宽为75-125 GHz,在该频率范围内的变频损耗为9.7-12.5 dB,其本振端和射频端之间基波的隔离度的典型值为25 dB,本振的二次谐波到射频端隔离度的典型值为30 dB。(由于时间限制,该芯片并未实际测试)。