论文总字数：24581字

摘 要

无线通信技术的应用日益广泛并逐渐向毫米波频段迈进。而毫米波技术应用的需求与推进也带动了毫米波单片集成电路研究的兴起。压控振荡器作为无线通信系统中的关键模块，对其在单片集成电路上进行研究一直是当前毫米波单片集成电路研究的热点。低的相位噪声和宽的调谐范围是毫米波MMIC压控振荡器研究设计一直追求的目标，本文为了实现这两个目标进行了广泛的调研与尝试，最终实现了一个低相位噪声、宽调谐范围的压控振荡器的设计。

本文的压控振荡器的设计采用的是交叉耦合式的设计结构，设计的中心频率在25GHz。为了避免有源网络的容性负载以及外部负载对谐振网络的影响，本文分别采用了电容分隔阻抗平衡技术以及从源端输出信号的方式来保证振荡器具有宽的调谐范围和低的相位噪声。本文设计采用的是WIN Semiconductors公司的PP15工艺，最终所得到的振荡器在100KHz和1MHz的频率偏移处的相位噪声分别为-110.7dBc/Hz和-116.9dBc/Hz。而调谐输出的频率为24.17GHz-25.72GHz，调谐范围达到6.2%。而整体的输出功率也达到了5.8dBm以上，最高达到7dBm。整个振荡器采用3V供电，直流功耗为102mW。本文最后进行了版图设计和电磁仿真，确保设计性能的可靠性。

关键词：低相位噪声 电容分隔和阻抗平衡技术 毫米波单片集成电路 宽调谐范围 压控振荡器

MILLIMETER WAVE MMIC Voltage-controlled oscillator

Abstract

Wireless communication technology has been widely applied and is gradually heading to utlizing millimeter wave band. With the requirement and development of millimeter wave application, the researches for millimeter wave MMIC are rising up. As the vital module of wireless communication system, it has always been the hotspot of researching for MMICs. It has always been chased to achieve a low phase noise and wide tuning range voltage-controlled oscillator. Wide investigation and numerous trial have been conducted in this work, and a very low phase noise and pretty wide tuning range VCO design has beendesigned.

In his work，the VCOin LC cross-coupled structure has been investigated with the central oscillating frequency of 25GHz. In order to avoid the capacitive loading of active network and outside loading effect on the LC tank, this work utilized capacitance splitting - impedance balancing technique and picked signal from source terminal, ensuring the wide tuning range and low phase noise can be achieved. This work was designed in PP15, a GaAs pHEMT process from WIN Semiconductors Corporation. The final simulated results showed that the phase noise reached -110.73dBc/Hz @100KHz and -116.88dBc/Hz @1MHz ，together with the tuning range from 24.17GHz to 25.72GHz which is about 6.2% relative bandwidth. The whole output power is above 5.8 dBm, with the peak value of 7dBm. The DC power supply is 3V, DC power dissipation is 102mW. Final layout and electromagnetic simulation have been conducted to ensure the reliability of this work.

KEYWORDS:Capacitance splitting-impedance balancing technique, low phase noise，Millimeter wave, MMIC, VCO, wide tuning range

目录

毫米波MMIC压控振荡器设计 I

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状与发展趋势 2

1.3本文研究内容和结构 4

1.3.1研究内容和目标 4

1.3.2章节安排 5

第2章毫米波MMIC压控振荡器基础理论 6

2.1振荡原理 6

2.2压控振荡器的性能指标 11

2.3毫米波MMIC压控振荡器的常用结构 12

第3章 25GHz低相噪宽带压控振荡器设计 16

3.1相位噪声特性分析 16

3.1.1相位噪声概述 16

3.1.2相位噪声产生的机制与数学模型 17

3.2电容分隔与阻抗平衡技术 21

3.3压控振荡器的设计与仿真 24

3.3.1总体方案概述 24

3.3.2无源谐振网络的设计 25

3.3.3有源交叉耦合对的设计 25

3.3.4偏置电路与输出电路设计 26

3.3.5仿真结果 27

3.3.6压控振荡器性能总结 31

结束语 35

参考文献 36

致谢 38

绪论

研究背景与意义

从麦克斯韦的电磁波理论建立开始，无线电技术正慢慢改变着人们的生活方式。而无线通信技术是无线电技术中非常重要的一个分支，其便捷的信息交换的方式给人们的生活带来了翻天覆地的变化。人们现今生活中常用的WiFi、蓝牙、3G、4G、RFID、GPS等都属于无线通信的范畴。

近年来，移动通信的研究如火如荼地进行。2013年12月4日，工信部向中国的三大运营商正式发放了4G牌照（TDD-LTE），2015年2月27日，中国电信和中国联通也获得了FDD-LTE的经营许可。如果说3G的出现让人们尝到了移动互联网的乐趣，那4G的兴起则是让移动互联网成为了人们生活中不可或缺的一部分。由于传输速率成百成千倍地提升，通过4G网络进行视频通话、3D导航、在线电影等活动变得更为快捷方便，让移动互联网有了更好的用户体验。4G技术方兴未艾，而关于5G技术的研究却已拉开帷幕。由于移动智能终端的大规模普及以及人们对移动互联网的依赖，国际上的通信巨头早早地将目光投向5G研究，为5G标准的制定抢下先机。2013年初，欧盟在第7框架计划启动了面向5G研发的METIS（mobile and wireless communications enablers for the 2020 information society）项目，韩国和中国也成立了相应的技术论坛和课题组来投入研究，预计在2016年后启动有关标准化进程。在未来5G的发展中，以下几点将成为着力点：

• 通过新的无线传输技术将5G的通信速率提升至4G的10倍以上；
• 引入发展软件无线电、智能无线电的概念，将整个系统的吞吐率提高25倍以上；
• 寻求新的频率资源，考虑利用毫米波等技术。

因此，在未来，利用毫米波技术来扩展移动通信的频谱资源已成为众多研究者们考虑的方向。

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