论文总字数：23100字

摘 要

在过去几十年间，无线通信技术的发展突飞猛进，信号传输速率日益提高，随之而来的便是对信号频率不断提高的要求。在这样的环境下，射频电路所遇到的挑战也越来越大。作为毫米波信号源最关键器件，压控振荡器（VCO）的发展在近年可谓十分迅速。压控振荡器的性能指标主要以调谐带宽，相位噪声和输出功率为主，目前的优化方向均是在确保其中两项指标满足要求的情况下，尽可能优化第三个指标。本文通过对压控振荡器的充分研究，设计了一个工作在毫米波Ka波段的宽带压控振荡器。

本文采用标准的0.13μm BiCMOS工艺，目标制作一个相位噪声小于-100dBc/Hz @1MHz，输出功率大于0dBm的VCO，并在设计中着重优化其调谐带宽，其设计目标是29.3-35.4GHz。本文采用交叉耦合的振荡器结构，采用变容管对和中心抽头电感进行频率谐振，采用共射电路作为缓冲器进行隔离与放大，最后设计了一个低损耗巴伦将差分信号转成单端信号输出。本文进行了理论分析，原理图设计，版图绘制与电磁仿真，最后的仿真结果基本满足设计目标，并在带宽上有所提高。

关键词：BiCMOS工艺；压控振荡器；交叉耦合；宽带

ABSTRACT

In the past few decades, the development of wireless communication technology advances by leaps and bounds, and the increasing speed of signal transmission is accompanied by the increasing requirement of signal frequency.In such an environment, the challenges of RF circuits are increasing.As the most important component of MMW signal source, voltage controlled oscillator (VCO) has developed rapidly in recent years.VCO indicators are mainly tuning bandwidth, phase noise and output power. The current optimization direction is to optimize the third indicator as far as possible under the condition of ensuring that two of them meet the requirements.In this paper, a voltage controlled oscillator (VCO) with broadband operating in millimeter-wave Ka band is designed.

In this paper, the standard 0.13 m BiCMOS process is adopted to make a VCO with phase noise less than -100dbc/Hz@1MHz and output power greater than 0dBm. In addition, the tuning bandwidth is optimized in the design, and the design target is 29.3-35.4GHz.In this paper, a cross-coupled oscillator structure is adopted, a variable-capacitance tube is used to carry out frequency resonance on the inductor and the center tapped inductor, and a common radio circuit is used as a buffer for isolation and amplification. Finally, a low-loss balun is designed to convert the differential signal into a single-end signal output.In this paper, the layout drawing and electromagnetic simulation of the design are carried out, and the final simulation results meet the design objectives and improve the bandwidth.

Keywords：BiCMOS process; VCO; Cross coupling; Broadband

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 毫米波VCO的国内外研究现状 1

1.3 毫米波VCO的设计方案 2

1.3.1 设计结构 2

1.3.2 设计工艺 3

1.4 论文内容和结构 3

第二章 压控振荡器工作原理 5

2.1 变容二极管工作原理 5

2.2 振荡器原理 5

2.2.1 反馈振荡器 6

2.2.2 负阻振荡器 7

2.3 压控振荡器的性能指标 9

2.4 相位噪声 10

2.4.1 相位噪声的定义 10

2.4.2相位噪声的影响 11

2.4.3相位噪声的产生 11

2.4.4相位噪声优化方法 13

2.5 本章小结 13

第三章 毫米波宽带VCO的设计 15

3.1 核心电路设计 15

3.2 输出缓冲电路与稳压电路设计 18

3.2.1输出缓冲电路 18

3.2.2稳压电路 20

3.2.3仿真 21

3.3 巴伦设计 23

3.4 宽带毫米波VCO的仿真 25

3.5 本章小结 28

总结与展望 29

参考文献 30

致 谢 32

绪论

引言

在现在的通信领域中，中低频的电磁波波段基本都已经被分配在各类无线场所，从千兆赫兹的广播、电视，到数吉赫兹的卫星通信，这些频段可以说是非常拥挤了。随着无线电技术的进一步发展，现有的工作频段已经很难满足我们未来通信的需求，因此开发更多未使用频段的任务迫在眉睫。

亚毫米波、毫米波频段高，带宽宽，频谱资源极为丰富，目前尚未广泛应用，因而这块宝地便是无线通信发展的下一个目标。在毫米波段通信，我们可以传输更高的速率，获取更大的通信容量。同时毫米波拥有波束窄，穿透烟尘能力强等特点，非常适合未来的通信环境，加上国际上协议的支持和相关厂商的技术发展，毫米波注定成为未来许多年的重要通信波段。到目前为止，国家已经颁布了中国5G毫米波的备选频段包括24.75~26.5GHz和37GHz~42.5GHz等，预计不久就会发布正式频段。这些频段主要集中在K-Ka波段，因而适用于此波段的毫米波器件必然成为研发热点。

目前的单片射频收发系统中，最影响系统性能，最为关键的设计是频率合成器，其一般由锁相环来实现。而在锁相环中，各种时钟信号都需要由振荡器来提供，因此最影响频率合成器性能的便是压控振荡器（VCO）。如今，研究宽带宽、低相位噪声、高输出功率和高能效比的VCO是一个热门问题。当然，几个性能参数不可能都做到非常优秀，在设计中便是在确保另外两个参数满足需求的情况下尽可能去优化主参数，在这个过程中也是诞生了许多高性能的振荡器结构优化与参数优化设计思路。

毫米波VCO的国内外研究现状

随着工艺的进步与设计结构、优化方法的改良，国内外对毫米波压控振荡器的研究日益深入，成果丰硕。主流的压控振荡器包括环形振荡器以及电感电容振荡器两种。环形振荡器适用于相噪要求宽松，频率不算太高的系统之中。文献[1]基于CMOS工艺，采用三级差分反相器，实现了一个1.6GHz~10.9GHz的超宽带压控振荡器，但是其相噪只有-92.25dBc/Hz@1MHz，功耗为19.1mW，相对较高。而通过环形振荡器设计出来的最高频率振荡器达到了31GHz，其采用SOI CMOS 工艺，但是它的相噪恶化明显，只有-95dBc/Hz@10MHz[2]。

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