毫米波高Q值有源谐振器芯片技术研究

论文总字数：36263字

摘 要

随着无线通信的快速发展，对频谱资源的需求越来越高。目前，低频段频谱资源已经相当拥挤，可用资源已相当少，解决这一问题最好的办法就是向毫米波甚至亚毫米波方向发展。由于受系统集成度和成本的限制，硅基电路受到学术界越来越多人的亲睐。频率源作为硅基系统中前段的关键器件，为整个收发系统提供基准源，而谐振器作为频率源中的一个关键部件，所以是硅基电路的一个研究热点。

本文在前人研究的基础上，设计了基于共面波导传输线的无源、有源及谐振频率可调的硅基谐振器，以共面波导传输线作为谐振器的主传输线，加载了由两对差分对管形成的负阻电路构成了有源谐振器，考虑到高频时信号线之间的耦合效应，采用共面波导传输线，其四周的屏蔽结构有效的减少了这种影响。采用IBM 0.12um SiGe BiCMOS设计了谐振频率在45GHz附近，无源、有源及谐振频率可调的谐振器。同时，使用版图设计软件Cadence Virtuoso设计了该无源、有源及谐振频率可调谐振器的版图，并采用电磁仿真软件对版图无源部分的电路寄生参数进行了提取，并通过后仿真进行验证，所得到的结果与前仿真结果一致。

【关键词】IBM 0.12um SiGe BiCMOS工艺；有源谐振器；品质因数

Technology Research Of MM-wave Active Resonator With High Quality Factor

Undergraduates: Wu Zijing

Supervisor: Prof. Chen Zhe

State Key Lab. of Millimeter Waves, Dept. of Radio Engineering

School of Information Science and Engineering

Southeast University, Nanjing, China

Abstract

With the rapid development of wireless communication system, there are increasing requirements for spectrum resource. Since spectrum resource at low frequency has been quite crowded, an efficient way to solve this problem is to use millimeter wave spectrum in wireless system. To improve the system integration level and reduce the overall cost, silicon-based millimeter wave integrated circuits are becoming the research hot spot. Millimeter-wave frequency source is the key components of wireless system, which provide reference source for the transceiver system. Therefore, silicon based millimeter wave frequency source are paid more and more attention in research.

Passive resonator, active resonator and the resonator whose resonant frequency can be changed are designed in this paper. Coplanar waveguide transmission line is used as the transmission line, which is loaded by two differential pair transistors to form the negative resistance circuit. The resonators use coplanar waveguide transmission line to reduce the impact contributed by the coupling lines. Passive resonator, active resonator and the resonator whose resonant frequency can be changed with resonat frequency around 45GHz is designed, by using IBM 0.12um SiGe BiCMOS technology. Layout software Cadence virtuoso is used to design the layout of the resonators, besides electromagnetic simulation software HFSS is used to extract the circuit parasitic parameters of the passive part of the circuits. Finally, we use Keysight ADS for the post-simulation and validation

Keywords：IBM 0.12um SiGe BiCMOS technology，Active resonator，Quality factor

目 录

摘要…………………………………………………………………………………………………………………………………………….I

Abstract……………………………………………………………………………………………………………………………………. III

第一章 绪论……………………………………………………………………………………………………………………………1

1.1毫米波集成电路的特性及研究进展…………………..……………………………………………………….1

1.2毫米波集成电路电路的研究现状……………………………………………………………………………….4

1.3本文研究的主要内容……………………………….………………………………………………………………….6

第二章 谐振器理论分析………………..…………………………………………...…………………………………..5

2.1串联和并联谐振电路……………..…………………………………..………………………………………………7

2.2传输线谐振电路………………………….…………………….….….…………………………………………………9

2.3波导谐振器……..…….…………….……………………………………………………………………………………10

2.4介质谐振腔…….……………………………………..………………………………………………………….………12

2.5基本参数…………..………………………………………..……………………………………………………………..13

2.5.1 谐振频率…………………..…………………….……………………………………………………………...13

2.5.2 品质因数…………………………………….……….…………………………….…………………………...14

2.5.3 等效电导……………………….……….…….………………………………………………………………….15

2.6有源双模带通滤波器的设计………….…………………………………………………………………………15

2.6.1 双模环形谐振器的等效电路…………………..……………………………………………………...17

2.6.2 空载的谐振模式的分析…………………………………….……………….…………………………...20

2.6.3 传输零点的分析……………………….…………….……………………………………………………….21

第三章 IBM 0.12um SiGe BiCMOS工艺介绍……. ………………………………………………………..23

3.1毫米波集成系统的制造工艺……………………………………………………..………………………………23

3.2 IBM 0.12um SiGe BiCMOS工艺的金属层结构……………………..…………..……………………....24

3.3 IBM 0.12um SiGe BiCMOS工艺的金属层电特性……………………………..…………………..……25

第四章 谐振频率可调的谐振器的设计…………………………………………………………………….…..27

4.1 设计任务……………………………..…………………………………………………………………………………..27

4.2 无源谐振器的设计…………………………………………………………………………………………….…….28

4.2.1理想传输线TLIN搭建无源的并联LC谐振器………………………………………….….28

4.2.2无源并联LC谐振器的电路原理图设计………………………………………………………29

4.2.3无源并联LC谐振器的电路原理图设计………………………………………………….…..31

4.2.4无源谐振器的后仿真…………………………………..…….………………………..………………33

4.3有源谐振器的设计…………………………………………………………………………………………………..33

4.3.1有源谐振器的电路原理图设计…………………………………….….……………….…….….33

4.3.2有源谐振器的版图设计………………………………………….….…………………….…………33

4.3.3有源谐振器的后仿真……………………………………………………………………….…….…..36

4.4谐振频率可调的谐振器的设计………………………………………………………………………………..38

结论与展望…………………………………………………………………………………………………………………………41

致谢…………………………………….………………………………………………………………………………………………….43

参考文献…………………………………………………………………………………………………………………………………45

1. 绪 论

数据传输系统这一概念被提出的这一个世纪以来，它在我们的生活中扮演起越来越重要的角色。尤其是最近几年里，大家越发需要更加高速的数据传输系统来给日常的工作及生活带来更高层次的体验，而多媒体技术的迅猛发展，刚好顺应了这一需求的日益增长。根据传输介质种类的不同，通常会将数据传输系统分为有线和无线两大类。显而易见的，相比有线数据传输系统，无线数据传输系统的许多优势是其无法相比的。然而现有的大多数数据传输系统因为带宽有所限制，没有能够很好的带给用户良好体验。不仅如此，低频频段因为多种多样的系统的出现越发变得拥挤。为了顺应这一需求，我们正将其工作频段不断地提升以至于越来越高，这几年更是有几十Ghz乃至高于100Ghz的工作频率。

无线数据传输系统的大部分系统在其发展过程中，最初都是以分立的元件为主要组成。这样的设计不仅有着成本极高的弊端，同时还因为体积过于巨大而使其发展受限。自20世纪中期以来，晶体管的出现不断地迅速的提升了系统的集成度，并且也不断地让其体积变得更合适。而摩尔定律也为其成本的降低做出巨大贡献。

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