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摘 要

近些年来，随着微波毫米波技术的成熟与发展，基于毫米波的系统和电路设计层出不穷。集成电感是微波毫米波集成电路的重要组成部分，其性能与集成度对于微波毫米波集成电路具有直接的影响，所以如何设计性能更优的电感已经逐渐成为射频集成电路的研究热点。

本文主要内容是利用三维电磁仿真软件HFSS对基于SiGe工艺、工作于45GHz频段片上螺旋电感进行了电磁建模与仿真研究工作。由于工作频段较高，本文着重分析了电感的高频效应，包括涡流效应、趋肤效应和邻近效应等，在此基础上提出了一种新的衬底耦合电感模型。同时为了设计性能更好的电感，结合S参数、Q值和电感值等关键参数仿真结果定性研究了尺寸对于电感特性参数的影响，提出了通过合理调节尺寸提高Q值的方法。基于以上的有关工作，设计了45GHz频段的螺旋电感结构，研究了在该频段内螺旋电感的性能参数。最后总结了本文的工作，并对未来工作进行展望。

关键词：螺旋电感，高频效应，45GHz频段，电感模型，SiGe工艺。

Abstract

In recent years, with the maturity and development of microwave and millimeter wave technology, systems and circuit designs based on millimeter waves have emerged in an endless stream. As one of the important components of the millimeter wave system, passive components are of great significance for the integration and overall performance of the system. As one of the key passive components, the inductor will directly affect the performance of the system, so how to design a better performance inductor has gradually become a research hotspot of RF integrated circuits.

The main content of this thesis is to use the 3D electromagnetic simulation software HFSS to carry out electromagnetic modeling and simulation research on the on-chip spiral inductor of 45GHz frequency band based on SG13G2 process. Due to the high frequency, this thesis focuses on the high-frequency effects of inductors, including eddy current effect, skin effect and proximity effect. Based on these effects, a new coupled inductance model is proposed. At the same time, in order to design better inductance, considering the simulation results of key parameters such as S parameter, quality factor and the value of inductance, the influence of size on the inductance characteristic parameters was qualitatively studied, and the method of increasing the quality factor by reasonable adjustment of size was proposed. Based on the above work, the spiral inductor structure of the 45GHz band is designed, and the performance parameters of the spiral inductor in this frequency band are studied. Finally, the author summarizes the work of this thesis and forecasts the future work.

KEY WORDS：spiral inductance, high frequency effect, 45GHz band, inductance model, SiGe process

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论文作者签名： 导师签名：

日期： 年 月 日 日期： 年 月 日

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 相关领域研究背景 1

1.3 45GHz频段发展现状 2

1.4 论文主要内容和安排 2

第二章 电感工艺的介绍和仿真工具的选择 4

2.1 SiGe工艺的介绍 4

2.2 SG13G2工艺的介绍 5

2.3电磁仿真工具介绍 7

2.3.1 电磁仿真的优势 7

2.3.2 电磁仿真软件的选择 8

2.3.3 电磁仿真软件模式设置 9

第三章 电感模型和高频效应分析 10

3.1 电感的基本定义 10

3.1.1 自电感 10

3.1.2 互电感 10

3.1.3 有效电感 11

3.1.4 品质因数 12

3.1.5 自谐振频率 13

3.1.6 电感参数的提取 13

3.2 电感的类型 14

3.3 电感的高频效应分析 15

3.3.1 电场衬底效应 17

3.3.2 磁场衬底效应（涡流效应） 18

3.3.3 趋肤效应 19

3.3.4 邻近效应 21

第四章 45GHz频段平面螺旋电感设计与分析 23

4.1平面螺旋电感参数化设计模型 23

4.2 平面螺旋电感尺寸对关键参数的影响 24

4.3 螺旋电感的性能分析 33

4.3.1 方形平面螺旋电感的性能分析 33

4.3.2 圆形平面螺旋电感的性能 35

第五章 总结和未来工作展望 37

5.1 总结 37

5.2 未来工作展望 37

参考文献 38

致 谢 39

第一章 绪论

1.1 引言

近些年来，随着无线通信技术和互联网接入技术的迅速发展，原有的数据传输速率已经不能满足人们的需要，迫切需要我们提高数据的传输速率^[1]。为了缓解微波低频段频谱过于拥挤，也难以满足高速无线通信需求的尴尬现状，要求我们在在更高的频段内，尤其是毫米波频段开发新的频谱资源。其中频段（主要是指40-50GHz）凭借其在信道特性优良和器件性能改善等优势脱颖而出，已经得到了学术界和工业界研究人员的关注。

无线通信产业的快速发展一直推动着毫米波系统向着更高集成度和更优性能的方向发展。随着硅基集成电路技术的成熟和成本的降低，硅基集成电路特征尺寸的缩小以及特征频率的提高使得集成电路设计在毫米波波段的应用成为了可能^[2]，同时也极大地推动了片上系统SOC（System On Chip）的发展，实现了在一块芯片上集成一个完整的通信系统的任务。无源器件作为毫米波片上系统的重要组成部分，其特性对于片上系统的集成度与性能具有重要的意义。

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