基于55nm CMOS工艺的毫米波有源矢量调制器设计

论文总字数：15222字

摘 要

多通道毫米波T/R芯片在干扰、探测、通信相控阵系统中有着广泛的应用需求，它在第五代毫米波通信和卫星互联网通信中也有广阔的应用前景。作为毫米波T/R芯片的核心模块，移相器是一个双端口网络，可以控制直流信号，从而使得在输入和输出信号之间产生一定的相位差。

自矢量调制器的发展以来，它已广泛应用于通信领域。高性能矢量调制器通常用作电子控制组件，以直接调制毫米波接收器上的微波毫米波信号。目前，国外矢量调制器大多采用Lange耦合器和MMIC技术。

本文设计的毫米波有源矢量调制器采用55nm CMOS工艺实现矢量调制。

关键词：CMOS工艺；毫米波；有源矢量；调制器

Design of a Millimeter Wave Active Vector Modulator Based on 55nm CMOS Technology

Abstract

Multi-channel millimeter-wave T/R chips have a wide range of applications in interference, detection, and communication phased array systems. They also have broad application prospects in the fifth generation of millimeter-wave communication and satellite Internet communication. As the core module of the millimeter-wave T/R chip, the phase shifter is a two-port network that can control the DC signal, resulting in a certain phase difference between the input and output signals.

Since the development of vector modulators, it has been widely used in the field of communications. High performance vector modulators are commonly used as electronic control components to directly modulate microwave millimeter wave signals on millimeter wave receivers. At present, foreign vector modulators mostly use Lange coupler and MMIC technology.

The millimeter-wave active vector modulator designed in this paper implements vector modulation in a 55nm CMOS process.

Keywords: COMS process; millimeter wave; active vector; modulator

目录

第一章 绪 论 5

1.1研究背景 5

1.2研究目的与意义 6

1.3论文结构内容 6

第二章 移相器基本理论 7

2.1 相控阵的概述 7

2.1.1 相控阵的基本概念 7

2.2移相器的基本原理 10

2.2.1 移相原理 10

2.2.2 移相器的性能参数 11

2.2.3 移相器的分类 12

第三章 有源移相器 17

3.1 矢量合成有源移相器误差分析 17

3.2 正交信号发生器 17

3.3 信号合成器 18

第四章 CMOS工艺的有源矢量调制器电路设计 19

4.1 电路基本拓扑结构 19

4.1软件介绍 19

4.1.1 Cadence软件 19

4.1.2 VMware Workstation软件 20

4.2 绘制电路图 20

第五章 电路仿真与分析 22

5.1 增益(Gain)、噪声抑制(NF)、输入三阶截点(IIP3)仿真 22

5.2时域模拟(Time domain simulation) 23

第六章 总结与展望 26

致 谢 27

参考文献 28

第一章 绪 论

1.1研究背景

近年来，中国社会发展迅速，移动互联网的发展也在不断, 它已经与我们的日常生活息息相关，改变了我们的生活和工作方式。 随着人口的极速增加，4G的负载也愈增。 并且在目前无线射频频带宽度窄、频谱利用率接近饱和的影响下，移动网络的传输速率越来越慢， 对于高数据无线通信的高速，高容量信息传输的需求不断增长。为了进一步满足广大人民群众的需求，MIMO (多输入多输出)技术将被广泛应用。随着通信卫星和相控阵雷达中现代相控阵系统的发展，通信驱动器变得越来越必要，并且移相器正在被越来越广泛地使用。

CMOS技术由于其低成本，高集成度以及与数字电路形成片上系统的能力而在消费电子产品中占据主导地位。因此，基于先进的CMOS技术，可以设计毫米波集成电路并将其应用于大规模的消费电子产品的开发。

1.2研究目的与意义

多通道毫米波 T/R芯片在干扰、探测、通信相控阵系统中有着广泛的应用需求，它在第五代毫米波通信和卫星互联网通信中也有广阔的应用前景。作为毫米波T/R芯片的核心模块，移相器充当双端口网络，通过控制直流信号可以在输入和输出信号之间实现一定的相位差。

移相器用作调节波的相位的装置。移相器常常被用来调整信号相位，使其具有良好的性能。对于形成和控制光束的每一个发送器或接收器路径，高性能移相器应提供低插入损耗和低衰减纹波，因此，选择合适的移相器拓扑结构以实现低插入和低变化设计非常重要。

1.3论文结构内容

本文设计的有源矢量调制器是有源移相器模块的一部分。

本论文由六章构成，各章内容如下：

第一章：主要概述了有源矢量调制器的研究背景，并对其研究目的与意义做了简单的阐述，介绍了本论文设计的有源矢量调制器所用的工艺。

第二章：首先简要介绍了有源移相器在相控阵系统中的应用，然后简要分析了其基本工作原理。然后阐述了移相器的主要技术指标。

第三章：对有源移相器的每个模块执行简单的原理分析。

第四章：基于对移相器各个电路模块的分析与设计，设计了有源矢量调制器的电路，简单阐述了本设计用到的软件，绘制了整体电路的电路图。

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