CMOS低增益宽调谐范围全集成Ka波段毫米波正交压控振荡器制造技术

本发明专利技术公开了一种CMOS低增益宽调谐范围全集成Ka波段毫米波正交压控振荡器，振荡器谐振腔中加入由高低电平直接控制的MOS可变电容管阵列实现接入电容大小的切换，进而实现多子带调谐以获得低调谐增益和宽调节范围，并拥有较好的相位噪声性能。此外，压控振荡器中采用的共平面波导线电感具有很高的品质因子以实现更好的相位噪声性能。电路直接输出差分正交信号且正交精度高（<1°），在中心频率30GHz下、1MHz和10MHz频偏处的相位噪声可达到‑107.3dBc/Hz和‑129.6dBc/Hz。总功耗为80mW。可作为Ka波段无线通信系统中的本振信号源，也可作为频率综合器中的压控振荡器使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于毫米波集成电路设计的
，尤其是一种互补金属氧化物半导体低增益宽调谐范围全集成Ka波段毫米波正交压控振荡器，可用于复杂调制的高速无线通信系统中。
技术介绍
近年来，随着宽带业务，尤其是宽带多媒体业务需求的高速增长，采用L波段(1～2GHz)或者C波段(4～8GHz)等低波段的无线通信系统已经趋于饱和，而且较低波段不能适应高速率、大宽带的通信系统，这就迫使国内外学者转向研究毫米波波段(30～300GHz)无线通信。毫米波波段具有极宽的带宽，这在频率资源紧张的今天无疑极具吸引力。在相同天线尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多，因此具有更高的分辨率。和微波相比，毫米波元器件的尺寸要小得多，因此毫米波系统更容易小型化。且与激光相比，毫米波的传播受气候的影响要小得多，可以认为具有全天候特性。因此，毫米波通信成为近年无线通信的研究热点。Ka波段毫米波(26.5～40GHz)无线通信因其自身的优势成为未来宽带卫星通信及第五代(5G)移动通信的发展趋势，其优点有：带宽充裕(理论带宽有3.5GHz)、通信容量大、实现波束窄、设备体积小以及抗干扰能力强等。因此，Ka频段卫星通信系统可为高速卫星通信、千兆比特级宽带数字传输、高清晰度电视(HDTV)、卫星新闻采集(SNG)、VSAT业务、直接到家庭(DTH)业务及个人卫星通信等新业务提供一种崭新的手段。三星和韩国SK电讯此前已完成基于28GHz毫米波的第五代(5G)移动通信系统的测试，但这离5G移动通信技术的正式商用仍存在距离。所以，研究Ka波段具有重要的意义。然而，Ka波段最大的缺点是链路降雨损耗较严重，最大可达30dB，对传输信号的幅度相位造成影响，进而造成通信系统传输质量以及系统性能的恶化。所以，这就要求Ka波段本振信号源拥有良好的相位噪声性能以提升发射机的TX EVM性能、增加接收机的输出信噪比。在零中频或低中频的收发机结构中常使用I-Q正交结构以实现镜频抑制，因此，产生高正交精度的正交本振信号变得十分必要。且毫米波通信系统因其宽带特性要求输出信号具有很宽的频率变化范围，这便对本振信号的调谐范围提出了要求。而Ka波段毫米波压控振荡器作为Ka波段毫米波无线通信系统中的本振信号源或频率综合器中的重要模块，其性能的好坏对整个通信系统的性能影响非常大。近年来于GaAs、InP等III-V族半导体工艺和BiCMOS工艺实现的Ka-band压控振荡器已有成功案例，但其成本较高、功耗较大。相比之下，CMOS工艺下具有集成度高、成本及功耗低等优点，可以实现毫米波前端电路和基带电路的集成，在SoC系统集成上具有显著优势。但CMOS工艺衬底损耗大，这给高品质因子无源器件的设计带来挑战；且CMOS工艺下有源器件的截止频率相对较低，基于CMOS工艺实现高性能的Ka波段毫米波压控振荡器始终是一大难点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种CMOS低增益宽调节范围全集成Ka波段毫米波正交压控振荡器。本专利技术的目的是这样实现的：一种CMOS低增益宽调谐范围全集成Ka波段毫米波正交压控振荡器，特点在于该振荡器由两个振荡器核心和耦合网络构成，每个振荡器核心均由NMOSFET器件与无源器件选频网络组成，两个振荡器核心通过有源器件耦合网络耦合形成所述正交压控振荡器。其具体形式为：第一个振荡器核心VCO1中，第一NMOS管M11的源极与第二NMOS管M12的源极共同连接到地线GND上，第一NMOS管M11的漏极、第二NMOS管M12的栅极、第一可变电容管M13的栅极、第三可变电容管M15的栅极、第五可变电容管M17的栅极共同连接到振荡器核心的正相输出端IP，第二NMOS管M12的漏极、第一NMOS管M11的栅极、第二可变电容管M14的栅极、第四可变电容管M16的栅极、第六可变电容管M18的栅极共同连接到振荡器核心的反相输出端IN。第一可变电容管M13的源极和漏极、第二可变电容管M14的源极和漏极与输入调谐电压端VTUNE相连，第三可变电容管M15的源极和漏极、第四可变电容管M16的源极和漏极与输入开关电平控制端SW1相连；第五可变电容管M17的源极和漏极、第六可变电容管M18的源极和漏极与输入开关电平控制端SW2相连。差分传输线电感L1由第一共面波导D1、第二共面波段D2和金属连接线实现，第一共面波导D1由第一信号传输线S1和第一接地线G1组成，第二共面波导D2由第二信号传输线S2和第二接地线G2组成，第一信号传输线S1和第二信号传输线S2的一端分别与振荡器核心的正相输出端IP、振荡器核心的反相输出端IN相连，第一信号传输线S1和第二信号传输线S2的另一端用金属线C_V连接，短接的物理中心位置连接电源VDD；第一接地线G1和第二接地线G2的另一端用金属线C_G，连接线的物理中心与GND相连；第二振荡器核心VCO2中，第三NMOS管M21的源极与第四NMOS管M22的源极共同连接到地线GND上，第三NMOS管M21的漏极、第四NMOS管M22的栅极、第七可变电容管M23的栅极、第九可变电容管M25的栅极、第十一可变电容管M27的栅极共同连接到振荡器核心的正相输出端QP，第四NMOS管M22的漏极、第三NMOS管M21的栅极、第八可变电容管M24的栅极、第十可变电容管M26的栅极、第十二可变电容管M28的栅极共同连接到振荡器核心的反相输出端QN。第七可变电容管M23的源极和漏极、第八可变电容管M24的源极和漏极与输入调谐电压端VTUNE相连，第九可变电容管M25的源极和漏极、第十可变电容管M26的源极和漏极与输入开关电平控制端SW1相连；第十一可变电容管M27的源极和漏极、第十二可变电容管M28的源极和漏极与输入开关电平控制端SW2相连。差分传输线电感L2与差分传输线电感L1的结构完全相同，两个信号线的一端分别与振荡器核心的正相输出端QP、振荡器核心的反相输出端QN相连，两个信号线的另一端用金属线连接，短接的物理中心位置连接电源VDD；两个接地线的另一端用金属线连接，连接线的中心与GND相连；耦合网络CO1中，第一耦合管Mc1的栅极和漏极、第二耦合管Mc2的源极与第二个振荡器核心的正相输出端QP相连，第二耦合管Mc2的栅极和漏极、第三耦合管Mc3的源极与第一个振荡器核心的反相输出端IN相连，第三耦合管Mc3的栅极和漏极、第四耦合管Mc4的源极与第二个振荡器核心的反相输出端QN相连，第四耦合管Mc4的栅极和漏极、第一耦合管Mc1的源极与第一个振荡器核心的正相输出端IP相连。所述差分传输线电感L1、L2为差分共平面波导线电感，所述的第三、第四、第五、第六、第九、第十、第十一、第十二可变电容管均采用N型积累型MOS变容管实现，且均采用电平直接连接，不采用开关MOS管形式；所述的第一振荡器核心与第二振荡器核心之间的耦合网络采用有源MOS器件实现。本专利技术中使用高品质因子共平面波导线电感以实现优良的相位噪声性能。本专利技术中的两个压控振荡器核心之间采用有源器件耦合方式耦合以实现高正交精度的正交信号输出。为获得较宽的频率调节范围且保持较低和较为恒定的压控振荡器调谐增益Kvco，本专利技术提出了高低电平直接控制的N型积累型MOS可变电容管阵列实现了多子带的压控振荡器调谐方式。本专利技术的优点在于：(1)相位噪声本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种CMOS低增益宽调谐范围全集成Ka波段毫米波正交压控振荡器，其特征在于该振荡器由两个振荡器核心和耦合网络构成，两个振荡器核心通过有源器件耦合网络形成所述正交压控振荡器；其具体形式为：第一振荡器核心（VCO1）中，第一NMOS管M11的源极与第二NMOS管M12的源极共同连接到地线GND上，第一NMOS管M11的漏极、第二NMOS管M12的栅极、第一可变电容管M13的栅极、第三可变电容管M15的栅极、第五可变电容管M17的栅极共同连接到振荡器核心的正相输出端IP，第二NMOS管M12的漏极、第一NMOS管M11的栅极、第二可变电容管M14的栅极、第四可变电容管M16的栅极、第六可变电容管M18的栅极共同连接到振荡器核心的反相输出端IN；第一可变电容管M13的源极和漏极、第二可变电容管M14的源极和漏极与输入调谐电压端VTUNE相连，第三可变电容管M15的源极和漏极、第四可变电容管M16的源极和漏极与输入开关电平控制端SW1相连；第五可变电容管M17的源极和漏极、第六可变电容管M18的源极和漏极与输入开关电平控制端SW2相连；差分传输线电感L1由第一共面波导（D1）、第二共面波导（D2）和金属连接线实现，第一共面波导（D1）由第一信号传输线（S1）和第一接地线（G1）组成，第二共面波导（D2）由第二信号传输线（S2）和第二接地线（G2）组成，第一信号传输线（S1）和第二信号传输线（S2）的一端分别与振荡器核心的正相输出端IP、振荡器核心的反相输出端IN相连，第一信号传输线（S1）和第二信号传输线（S2）的另一端用金属线（C_V）连接，短接的物理中心位置连接电源VDD；第一接地线（G1）和第二接地线（G2）的另一端用金属线（C_G），连接线的物理中心与GND相连；第二振荡器核心（VCO2）中，第三NMOS管M21的源极与第四NMOS管M22的源极共同连接到地线GND上，第三NMOS管M21的漏极、第四NMOS管M22的栅极、第七可变电容管M23的栅极、第九可变电容管M25的栅极、第十一可变电容管M27的栅极共同连接到振荡器核心的正相输出端QP，第四NMOS管M22的漏极、第三NMOS管M21的栅极、第八可变电容管M24的栅极、第十可变电容管M26的栅极、第十二可变电容管M28的栅极共同连接到振荡器核心的反相输出端QN；第七可变电容管M23的源极和漏极、第八可变电容管M24的源极和漏极与输入调谐电压端VTUNE相连，第九可变电容管M25的源极和漏极、第十可变电容管M26的源极和漏极与输入开关电平控制端SW1相连；第十一可变电容管M27的源极和漏极、第十二可变电容管M28的源极和漏极与输入开关电平控制端SW2相连；差分传输线电感L2与差分传输线电感L1的结构完全相同，两个信号线的一端分别与振荡器核心的正相输出端QP、振荡器核心的反相输出端QN相连，两个信号线的另一端用金属线连接，短接的物理中心位置连接电源VDD；两个接地线的另一端用金属线连接，连接线的中心与GND相连；耦合网络（CO1）中，第一耦合管Mc1的栅极和漏极、第二耦合管Mc2的源极与第二个振荡器核心的正相输出端QP相连，第二耦合管Mc2的栅极和漏极、第三耦合管Mc3的源极与第一个振荡器核心的反相输出端IN相连，第三耦合管Mc3的栅极和漏极、第四耦合管Mc4的源极与第二个振荡器核心的反相输出端QN相连，第四耦合管Mc4的栅极和漏极、第一耦合管Mc1的源极与第一个振荡器核心的正相输出端IP相连。...

【技术特征摘要】
1.一种CMOS低增益宽调谐范围全集成Ka波段毫米波正交压控振荡器，其特征在于该振荡器由两个振荡器核心和耦合网络构成，两个振荡器核心通过有源器件耦合网络形成所述正交压控振荡器；其具体形式为：第一振荡器核心（VCO1）中，第一NMOS管M11的源极与第二NMOS管M12的源极共同连接到地线GND上，第一NMOS管M11的漏极、第二NMOS管M12的栅极、第一可变电容管M13的栅极、第三可变电容管M15的栅极、第五可变电容管M17的栅极共同连接到振荡器核心的正相输出端IP，第二NMOS管M12的漏极、第一NMOS管M11的栅极、第二可变电容管M14的栅极、第四可变电容管M16的栅极、第六可变电容管M18的栅极共同连接到振荡器核心的反相输出端IN；第一可变电容管M13的源极和漏极、第二可变电容管M14的源极和漏极与输入调谐电压端VTUNE相连，第三可变电容管M15的源极和漏极、第四可变电容管M16的源极和漏极与输入开关电平控制端SW1相连；第五可变电容管M17的源极和漏极、第六可变电容管M18的源极和漏极与输入开关电平控制端SW2相连；差分传输线电感L1由第一共面波导（D1）、第二共面波导（D2）和金属连接线实现，第一共面波导（D1）由第一信号传输线（S1）和第一接地线（G1）组成，第二共面波导（D2）由第二信号传输线（S2）和第二接地线（G2）组成，第一信号传输线（S1）和第二信号传输线（S2）的一端分别与振荡器核心的正相输出端IP、振荡器核心的反相输出端IN相连，第一信号传输线（S1）和第二信号传输线（S2）的另一端用金属线（C_V）连接，短接的物理中心位置连接电源VDD；第一接地线（G1）和第二接地线（G2）的另一端用金属线（C_G），连接线的物理中心与GND相连；第二振荡器核心（VCO2）中，第三NMOS管M21的源极与第四NMOS管M22的源极共同连接到地线GND上，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张润曦，石春琦，何钰娟，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：上海;31