毫米波技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)(已看)

1、毫米波技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)chenpufeng【主要整理與翻譯自“mm-Wave Silicon Technology, 60GHz and Beyond, Ali M. Niknejad, Hossein Hashemi, Springer 2008”，以及部分網(wǎng)絡(luò)資料，如有侵權(quán)請(qǐng)勿怪！】隨著千兆比特流（Gb/s）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈接通信、大容量的無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）、短距離高速無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)（WPAN）和車載雷達(dá)等高速率寬頻帶通信應(yīng)用的市場(chǎng)需求不斷擴(kuò)大，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)具有高集成度、高性能、低功耗和低成本的毫米波單片集成電路（MMIC）迫在眉睫。毫米波可以廣泛應(yīng)用于軍事雷達(dá)系統(tǒng)、射電天文學(xué)和太空以及

2、短距離無(wú)線高速傳輸?shù)阮I(lǐng)域。采用GaAs或InP基的毫米波頻段的MMIC已經(jīng)應(yīng)用于軍事上的雷達(dá)和衛(wèi)星通信中。由于GaAs和InP材料具有較高的電子遷移率和電阻率，因此電路可以獲得較好的RF性能，但成本較高。由于受到成本和產(chǎn)量的限制，毫米波產(chǎn)品還沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。作為成熟的工藝，Si基CMOS具有低成本、低功耗以及能與基帶IC模塊的工藝相兼容等優(yōu)點(diǎn)，但是與GaAs相比，其在高頻性能和噪聲性能方面并不具備優(yōu)勢(shì)。然而，隨著深亞微米和納米工藝的日趨成熟，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)毫米波CMOS集成電路已經(jīng)成為可能。近年來(lái)，美、日、韓等國(guó)相繼開(kāi)放了無(wú)需授權(quán)使用的毫米波頻段（北美和韓國(guó)57-64GHz，歐洲和日本59-66

3、GHz），從而進(jìn)一步刺激了對(duì)毫米波CMOS技術(shù)的研究?？梢灶A(yù)期，在今后幾年里，毫米波CMOS技術(shù)將會(huì)突飛猛進(jìn)，成為設(shè)計(jì)毫米波MMIC的另一種有效的選擇。硅基毫米波的研究起始于2000年左右，同年Berkeley的無(wú)線研究中心專門設(shè)立了60GHz項(xiàng)目，但是當(dāng)時(shí)很少有人認(rèn)為硅技術(shù)能夠應(yīng)用于60GHz頻段。而時(shí)至今日，毫米波的研究已經(jīng)從一項(xiàng)模糊的課題演變至今日的研究熱點(diǎn)，引起了工業(yè)界與風(fēng)險(xiǎn)投資商的濃厚興趣。目前，該項(xiàng)研究已經(jīng)拓展到了商業(yè)領(lǐng)域，NEC、三星、松下和LG等消費(fèi)類電子廠商共同成立了WirelessHD聯(lián)盟來(lái)推動(dòng)60GHz技術(shù)在無(wú)壓縮高清視頻傳輸中的應(yīng)用，并于2007年制定了相關(guān)協(xié)議白皮書(shū)。

4、為何是毫米波？基于香農(nóng)定理，我們知道通信信道的最大數(shù)據(jù)速率，即信道容量C，與信道的帶寬BW和信噪比SNR具有如下關(guān)系C=BW?log2(1+SNR)。上式表明增加通信數(shù)據(jù)速率的一個(gè)方法就是使用更寬的帶寬。信號(hào)的關(guān)聯(lián)信息通常被調(diào)制在一個(gè)載波頻率附近，因此，在更高的載波頻率處可以獲得更寬的帶寬。美國(guó)的FCC已經(jīng)分配了幾個(gè)毫米波的頻帶用于無(wú)線通信的數(shù)據(jù)傳輸，如22-29GHz頻帶分配給短距離應(yīng)用（如park assist，stop-and-go，blind spot detection），77GHz頻帶用于長(zhǎng)距離的自動(dòng)巡航控制。第二個(gè)影響通信數(shù)據(jù)率的因素是系統(tǒng)整體的SNR。不利的是，對(duì)于給定距離，在

5、高頻處接收到的信號(hào)由于以下因素會(huì)經(jīng)受更多的衰減：首先，天線尺寸與載波頻率成反比，載波頻率越高，天線尺寸越小，導(dǎo)致收集的能量也更少；第二，在高頻處空氣以及其他物質(zhì)的高吸收導(dǎo)致信號(hào)衰減；第三，多徑效應(yīng)導(dǎo)致信號(hào)衰減。更低的SNR減小了通信系統(tǒng)在固定距離下的數(shù)據(jù)速率或減小了無(wú)線通信的距離。干擾信號(hào)也會(huì)表現(xiàn)得像噪聲一樣，減小了SNR。有利的是，在高頻處的大量的衰減，減少了干擾信號(hào)水平，也減少了多徑成分；后者引起更小的延遲擴(kuò)散，使得60GHz這樣的毫米波頻段非常適合用于短距離的高速無(wú)線傳輸。毫米波的獨(dú)特應(yīng)用毫米波的潛在應(yīng)用，包括毫米波成像（mm-wave imaging）、亞太赫茲（sub-THz）化學(xué)探

6、測(cè)器，以及在天文學(xué)、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)和安全方面的應(yīng)用。感興趣的重要頻率包括90GHz、140GHz，以及300GHz以上或者叫做THz區(qū)域。之所以選擇致力于這些頻點(diǎn)的研究，是因?yàn)榭紤]到其在空氣中傳播時(shí)的信號(hào)衰減。很明顯，存在各種窗戶使得衰減或者最大化或者最小化。60GHz頻帶由于氧氣的吸收，使得它適合于短距離網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。而其他的頻帶，如90GHz是長(zhǎng)距離成像的理想選擇。汽車?yán)走_(dá)成像領(lǐng)域的一個(gè)很重要的應(yīng)用是工作于24GHz和77GHz的汽車?yán)走_(dá)。今天僅有非常奢侈的汽車裝備了毫米波雷達(dá)技術(shù)。該技術(shù)可以在低能見(jiàn)度情況下幫助汽車駕駛，尤其是大霧的天氣，以及自動(dòng)巡航控制和甚至未來(lái)高速公路的自動(dòng)駕駛。

7、60;用于醫(yī)學(xué)應(yīng)用的毫米波成像毫米波技術(shù)的另一個(gè)潛在應(yīng)用是無(wú)源毫米波成像（passive mm-wave imaging）。僅通過(guò)檢測(cè)物體在毫米波頻帶的熱量輻射，物體的圖像就可以像光學(xué)系統(tǒng)一樣呈現(xiàn)出來(lái)。需要或者是一組接收機(jī)或者是移動(dòng)的終端天線來(lái)不停地掃描感興趣的區(qū)域。 高清視頻的無(wú)線傳輸NEC、三星、松下和LG等消費(fèi)類電子廠商共同成立了WirelessHD聯(lián)盟來(lái)推動(dòng)60GHz技術(shù)在無(wú)壓縮高清視頻傳輸中的應(yīng)用。 其他的毫米波技術(shù)應(yīng)用還包括腫瘤檢測(cè)的醫(yī)學(xué)成像，溫度測(cè)量，血液循環(huán)和水分、氧分測(cè)量。在過(guò)去的二十年里，這些應(yīng)用都被強(qiáng)烈地探索著，但是，大部分研究停止或放棄了，原因在于這

8、些傳統(tǒng)的系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)不過(guò)已經(jīng)存在的MRI或者X射線CAT掃描系統(tǒng)。由于波長(zhǎng)太長(zhǎng)，這些系統(tǒng)的精度很差。隨著硅技術(shù)允許大量的接收機(jī)陣列被低成本地實(shí)現(xiàn)在一塊小面積上，我們相信這些應(yīng)用會(huì)重新出現(xiàn)。而且隨著頻率被推到更高頻點(diǎn)，如100GHz以上，波長(zhǎng)變得更小，還將出現(xiàn)新的應(yīng)用領(lǐng)域。 毫米波研究的發(fā)展現(xiàn)狀毫米波GaAs集成電路近年來(lái)，在微波、毫米波單片集成電路領(lǐng)域內(nèi)，最引人注目的是美國(guó)國(guó)防部發(fā)展軍事微電子電路總計(jì)劃之一的MMIC計(jì)劃，此計(jì)劃總的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)1-100GHz頻率范圍內(nèi)的各種單片電路,且要求其成本低、性能好、體積小、可靠性高、能批量產(chǎn)生。功率MMIC隨著衛(wèi)星通信，相控陣?yán)走_(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)的發(fā)

9、展，對(duì)功率MMIC放大器的需求日益增長(zhǎng)，已成為研究的重要領(lǐng)域。在18GHz以下主要是GaAs MESFET和HBT功率MMIC放大器。在18GHz以上，則是PHEMT的功率MMIC放大器。松下已開(kāi)發(fā)出數(shù)字移動(dòng)通信機(jī)用的可低壓工作的GaAs功率MMIC。采用數(shù)字調(diào)諧方式的移動(dòng)通信機(jī)的發(fā)射功放要求低功耗和低失真特性，但是近年來(lái)通信機(jī)的電流、電壓逐步降下來(lái)，這對(duì)相互矛盾的特性很難兩全。針對(duì)這一問(wèn)題，松下專門在FET的結(jié)構(gòu)和電路結(jié)構(gòu)的最佳化上下功夫。在FET結(jié)構(gòu)方面，通過(guò)采用最佳柵長(zhǎng)及最佳源、漏間距。實(shí)現(xiàn)了1.2V的提升電壓，為此成功地實(shí)現(xiàn)了3.0V下也能工作的高效FET。在電路結(jié)構(gòu)方面，通過(guò)把漏偏壓

10、電路設(shè)置在外部，從而防止了加到FET上的電源電壓下降，成為低壓下能夠工作的電路結(jié)構(gòu)。另外，模擬出了增益、效益最大，相位漂移量最小的最佳負(fù)載電路，正因?yàn)樵贛MIC上實(shí)現(xiàn)這一最佳負(fù)載電路，所以獲得了低失真。采用以上這些技術(shù)開(kāi)發(fā)的GaAs功率MMIC，其功率附加效率為40，鄰接溝道漏泄功率為-56dBc，片子尺寸為1.0mm×1.6mm。Mitsubishi Electronic研制成用于Ka波段通信系統(tǒng)的MMIC二級(jí)功率放大器，在30GHz，輸出功率為1.44W，芯片尺寸為1.94mm×2.0mm。TRW公司采用0.508dmm厚PHEMT MMIC和氧化鋁微帶組合器研制成3W

11、Q波段PHEMT MMIC功率放大器模塊，在45GHz下，峰值效率為25。Sanders公司研制成型號(hào)為SGPA 07006 CC二級(jí)單片微波集成電路功率放大器，頻率為37-40GHz。采用本公司的0.15m GaAs PHEMT工藝。Triquint Seniconductor公司采用0.25m PHEMT技術(shù)研制成3.48mm2，0.5W，40GHz功率放大器MMIC，在6V漏偏置條件下，二級(jí)功率放大器獲得小信號(hào)增益為15.6dB，在1dB增益壓縮下，輸出功率為26.5dBm，飽和輸出功率為27.9dBm，功率附加效率為26.6。TRW公司采用0.1m AlGaAs/I

12、nGaAs/GaAs T柵功率PHEMT研制成二極單片W波段功率放大器。這種MMIC功率放大器在94GHz下線性增益為8dB，最大輸出功率為300mW，峰值功率附加效率為10.5，襯底厚度為0.508dmm。臺(tái)灣大學(xué)研制成許多單片W波段功率放大器，并可用于遠(yuǎn)紅外本機(jī)振蕩器和亞毫米波望遠(yuǎn)鏡（FRIST）。這些芯片包括復(fù)蓋大多數(shù)W波段的三個(gè)激勵(lì)器和三個(gè)功率放大器，例如頻率范圍為72-81GHz、90-101GHz和100-113GHz。每種激勵(lì)放大器和功率放大器分別可提供最小的20dBm和22dBm（160mW）。100-113GHz功率放大器在105GHz時(shí)的峰值功率大于250mW（25dBm）

13、，這是目前超過(guò)100GHz單片放大器的最大輸出功率。這些單片芯片采用0.1mAlGaAs/InGaAs/GaAs T柵功率PHEMT的技術(shù)制作，GaAs襯底為0.508dmm。日本Fujitsu Quantum Device Ltd研制低成本金屬陶瓷封裝的K波段大功率MMIC放大器模塊，并可應(yīng)用于K波段高速無(wú)線系統(tǒng)。這種模塊由一個(gè)激勵(lì)放大器MMIC和一個(gè)功率放大器MMIC組成，在23GHz和26GHz下總的增益為30dB，P1dB為33dB。這種模塊總的性能G（dB）×f/fo為以前的二倍。TRW的RF Product Center報(bào)道了相關(guān)功率增益21.5dB的6W、24PAE K

14、a波段功率模塊。功率模塊由激勵(lì)放大器、二級(jí)功率放大器芯片組成。這種MMIC放大器采用0.15m InGaAs/AlGaAs/GaAs HEMT技術(shù)制作在0.508dmm厚的襯底上，激勵(lì)放大器的輸出功率為27.5dBm，功率增益為10.7dB，PAE為27。輸出功率放大器采用混合的方法，由二片局部匹配MMIC芯片和8路Wilkinson組合器（制作在氧化鋁襯底上）組成。這種MMIC功率放大器的輸出功率為35.4dBm（3.5W），PAE為28，相關(guān)增益為11.5dB。8路組合器的插入損耗為0.6dB。低噪聲MMIC放大器Mistubish Electric Corp采用柵長(zhǎng)為0.15m的PHEM

15、T(AlGaAs/InGaAs/GaAs)研制成Ka波段單片低噪聲二級(jí)放大器，放大器在32GHz下的相關(guān)增益為18.0dB時(shí)，噪聲系數(shù)為1.0dB。日本富士通公司研制成用于LMDS（LocalMultiPointDistrbutionService）和衛(wèi)星通信的小型、寬帶、高增益K波段PHEMTLNAMMIC。增益和噪聲系數(shù)在23-30GHz下分別為14.5±1.5dB和1.7±0.2dB。MMIC的芯片尺寸為0.9mm2。這種MMIC的增益密度高達(dá)14.4dB/mm2，這是目前所報(bào)道的最高水平。TRW公司采用0.15m AlGaAs/InGaAs/GaAsHEMT工藝技術(shù)

16、研制成高可靠Ka波段低噪聲MMIC放大器。在Vds=25.2V，和Ids=250mA/mm的DC偏置下工作，在三個(gè)溫度（Tambient=235Ta=250，Ta=265）對(duì)二級(jí)平衡放大器進(jìn)行了壽命測(cè)試。用在室溫測(cè)定的S21=1.0dB確定每種溫度的失效時(shí)間。Ea為1.6eV，在125結(jié)溫下，MTF（mediamtimetofailare）為7×1019小時(shí)。變頻器UK Defence Evaluation Research Ageney研制成用于衛(wèi)星通信接收機(jī)的多功能MMIC，工作頻率為43.5-45.3GHz。該電路采用25m PHEMT GaAs InAsGa

17、0;AlGaAs生產(chǎn)工藝在GEC Marconi Materials Technology Ltd制作。多功能MMIC在一塊芯片上集成一個(gè)低噪聲放大器、下變頻器、本機(jī)振蕩器、倍頻器和緩沖放大器。其芯片尺寸為3.0mm×3.8mm。噪聲系數(shù)為4.3dB，本機(jī)振蕩器在0dBm時(shí)的變頻增益為8dB。倍頻器、混頻器The Universityof Leeds研制成新型77GHz MMIC自振蕩混頻器?；祛l器采用單個(gè)PHEMT同時(shí)做混頻和倍頻。這種混頻器在77GHz下的變頻損耗為12dB，70-85GHz的平均變頻損耗為15dB。收/發(fā)MMIC德國(guó)Fraunhofer Institutefor

18、 Applide Solid Statephysics(IAF)采用雙柵PHEMT研制成應(yīng)用于FMCW雷達(dá)系統(tǒng)的小型共面收/發(fā)MMIC。該芯片由二級(jí)中功率放大器，一個(gè)單端電阻混頻器，一個(gè)環(huán)形波導(dǎo)耦合器組成，采用0.15m GaAs PHEMT技術(shù)。在77GHz下，輸出功率為10dBm，變頻損耗為1.5dB，芯片尺寸僅為1.75mm×1.75mm。其它MMIC德國(guó)Siemens公司研制成用于毫米波的傳感器，特別是汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)應(yīng)用的單片單元（set）。它由高集成收發(fā)芯片、一個(gè)壓控振蕩器、一個(gè)諧波混頻器和中功率放大器組成，這種MMIC的工作頻率范圍為76-77GHz用GaAs PHEMT來(lái)

19、制作。Fujitsu Quantum Devices Limited采用倒裝技術(shù)和0.15m InGaAs/GaAs HEMT工藝研制用于毫米波汽車?yán)走_(dá)的76GHz MMIC芯片。芯片單元由一個(gè)76GHz放大器（芯片尺寸為1.2mm×1.9mm）、一個(gè)76GHz混頻器（1.9mm×2.4mm）、76GHz幾個(gè)SPDT開(kāi)關(guān)（1.2mm×1.9mm）、一個(gè)38-76GHz倍頻器（1.9mm×2.4mm）、一個(gè)38GHz壓控振蕩器（1.2mm×1.9mm）和一個(gè)38GHz緩沖放大器組成。日本Hitachi Ltd，Central Research L

20、ad.研制成用于汽車遠(yuǎn)程雷達(dá)77GHz全MMIC。為了滿足汽車系統(tǒng)的要求，需要研制W波段MMIC。為了適應(yīng)頻率調(diào)制連續(xù)（FMCW）雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了許多MMIC。采用高可靠0.18m HJFET制作工藝制造毫米波MMIC。NEC公司為此研制用于低成本汽車?yán)走_(dá)的小型、高可靠76GHzMMIC芯片單元。這種芯片單元由一個(gè)輸出功率為15.2dBm放大器、一塊輸出功率為11.0dBm的發(fā)射機(jī)MMIC和一塊具有-4.6dB變頻增益的接收機(jī)組合。Frace Uniteal Monolitic Semiconducters研制成應(yīng)用于76.5GHz適應(yīng)航行（ACC）汽車?yán)走_(dá)的毫米波前端。這種ACC雷達(dá)基于FSK

21、（FrequeneyShiftKeying）。毫米波模塊采用3塊MMIC組成單芯片單元來(lái)制作。三塊MMIC分別為本機(jī)振蕩器芯片、功率發(fā)射芯片和下變頻接收芯片。德國(guó)InfineonTechnologies公司采用0.13m柵（HMET110）和0.18m柵（HMETTP60）GaAs PHEMT技術(shù)研制成二種芯片單元，并可應(yīng)用于本地多點(diǎn)分配服務(wù)（LMDS）系統(tǒng)中。設(shè)計(jì)頻率范圍為24-27GHz和27-31GHz。二種芯片單元包括在1dB壓縮下（小信號(hào)增益為17dB），輸出功率為27dBm的二級(jí)大功率放大器；具有P1dB=22dBm（17dB小信號(hào)增益）的二級(jí)中功率放大器；增益為20dB，噪聲系數(shù)

22、小于3dB的三級(jí)LNA；具有9dB變頻損耗的一個(gè)單平衡混頻器和倍頻器（二倍頻器為24-27GHz，三倍頻器為27-31GHz）。38-42GHz寬帶無(wú)線系統(tǒng)的第三種芯片單元已于2001年問(wèn)世。Infineon公司的GaAs PHEMT生產(chǎn)線目前從10.16cm過(guò)渡到15.24cm，2001年中期已采用15.24cm GaAs片子。        毫米波Si集成電路毫米波CMOS集成電路是在基于CMOS射頻集成電路（RFIC）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。對(duì)于CMOS RFIC的研究始于20世紀(jì)90年代，在之后的近十

23、年中CMOS技術(shù)無(wú)論是在工藝、器件還是電路設(shè)計(jì)上都取得了巨大的進(jìn)步。從工藝上來(lái)講，正如摩爾定律預(yù)言的那樣，CMOS工藝自80年代以來(lái)從原先的3-工藝發(fā)展到0.13-，而目前已經(jīng)達(dá)到了32-nm。另一方面，根據(jù)恒電場(chǎng)下的按比例縮小理論，隨著CMOS工藝尺寸縮小，CMOS晶體管的特征頻率fT和最大振蕩頻率fmax將不斷提升。在標(biāo)準(zhǔn)90-nm CMOS工藝下， fT和fmax已經(jīng)可以達(dá)到100GHz以上Design Consideration for 60GHz CMOS Radios, Chinh H. Doan, Sohrab Emami, David A. Sobel, Ali M.

24、 Niknejad, and Robert W. Brodersen, Berkeley Wireless Research Center, IEEE Communications Magazine, December 2004。有源和無(wú)源器件的設(shè)計(jì)和建模mm-Wave Silicon Technology, 60GHz and Beyond, Ali M. Niknejad, Hossein Hashemi, Springer 2008介紹了 CMOS有源和無(wú)源器件建模的常用方法。傳輸線建模對(duì)于毫米波CMOS集成電路設(shè)計(jì)是非常重要的。Carchon等人CARCHON G, RAED

25、T W D. NAUWELAERS B. Novel approach for a design-oriented measurement-based fully sealable coplanar waveguide transmission line modelJ. IEE Proceedings Microwaves, Antennas and Propagation, 2001, 148(4):227-232.提出了一種新的基于定向設(shè)計(jì)測(cè)量的建模方法，根據(jù)這種方法設(shè)計(jì)出的最終模型可以方便地在商業(yè)設(shè)計(jì)軟件中實(shí)現(xiàn)。Yang等人YANG M T, HO P P C, YEH T J,et a

26、l. On the millimeter-wave characteristics and model of on-chip interconnect transmission lines up to 110 GHzC Microwave Symposium Digest, 2005 IEEE MTT-S International. Hsinchu, Taiwan, 2005:1819-1822.在2005年設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以集總元件構(gòu)成的RLC傳輸線模型，能夠在高達(dá)110-GHz頻率范圍內(nèi)表征傳輸線效應(yīng)。另外，Yildiz等人YILDIZ C, SAGIROGLU S, SARACOGLU O.

27、 Neural models for coplanar waveguides with a finite dielectric thicknessJ. Int J RF and Microw Computer-aided Engineering, 2003, 13(6):438-446還首次提出了共面波導(dǎo)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，該模型獲得的結(jié)果與之前相關(guān)文獻(xiàn)中已報(bào)道的理論值和實(shí)驗(yàn)值非常吻合。晶體管的通用的建模方法是基于準(zhǔn)靜態(tài)（quasi-static）假設(shè)，即一個(gè)晶體管的毫米波的大信號(hào)性能主要是由其直流非線性所控制，與此同時(shí)，它的動(dòng)態(tài)性能則可以用外部的寄生參數(shù)來(lái)建模以捕捉損耗和感應(yīng)效應(yīng)，這些效應(yīng)在毫米

28、波頻段特別重要。文獻(xiàn)S. Emami, C. H. Doan, A. M. Niknejad, R. W. Brodersen, “Large-signal millimeter-wave CMOS modeling with BSIM3," RFIC Digest of Papers, pp. 163-166, June 2004.建議的建模方法學(xué)是，把CMOS晶體管模型分為內(nèi)核部分和外部參量部分。內(nèi)核部分采用精簡(jiǎn)BSIM3v3模型，添加的外部參量用于表征因高頻而產(chǎn)生的寄生參數(shù)。晶體管的三個(gè)終端需添加寄生的串聯(lián)電阻和電感（LG， RG，LS， RS，LD，RD）

29、，柵端寄生電阻RG表征的是多晶硅柵的分布RC本質(zhì)，寄生電感用于表征晶體管終端互連線的延時(shí)效應(yīng)。終端與終端之間還需添加寄生電容（Cgs，Cgd，Cds），用于表征晶體管的溝道電容、交疊電容和由外部引線所產(chǎn)生的寄生電容的總和。CMOS晶體管參數(shù)提取的方法有以下幾種：利用Agilent IC-CAP從測(cè)量數(shù)據(jù)中直接提取參數(shù)DOAN C H,EMAMI S, NIKNEJAD A M,et al. Millimeter-wave CMOS designJ. IEEE J Solid-State Circuits, 2005, 40(1):144-155.、利用器件仿真軟件提取參數(shù)JANG J. Sma

30、ll-signal modeling of RF CMOSD. Stanford University, 2004.以及利用電磁場(chǎng)仿真提取參數(shù)YOSHITOMI S, KIMIJlMA H, KOJIMA K, et al. An accurate prediction of high-frequency circuit behaviorJ. Telecommunications and Information Tech, 2005:47-61.。直接利用測(cè)量數(shù)據(jù)提取參數(shù)可以獲得較好的精度，但是這種方法的缺點(diǎn)在于需要事先進(jìn)行晶體管版圖設(shè)計(jì)、流片和測(cè)試。而利用二維的工藝和器件仿真不僅可以解決測(cè)試

31、可能帶來(lái)的一定誤差，而且提取的參數(shù)精度也較高，從而很好地彌補(bǔ)了直接利用測(cè)量數(shù)據(jù)提取參數(shù)這一方法的不足之處。另外，Yoshitomit等人YOSHITOMI S, KIMIJlMA H, KOJIMA K, et al. An accurate prediction of high-frequency circuit behaviorJ. Telecommunications and Information Tech, 2005:47-61.提出了使用電磁場(chǎng)仿真來(lái)提取參數(shù)的方法。該方法通過(guò)晶體管的版圖設(shè)計(jì)，利用Agilent ADS Momentum進(jìn)行電磁仿真提取參數(shù)，獲得了較好的精度，但偏置

32、條件受限制。由于以上所述的三種方法各有利弊，所以到目前為止，還沒(méi)有出現(xiàn)一種統(tǒng)一、簡(jiǎn)單和有效的毫米波CMOS晶體管模型參數(shù)提取的方法。因此，CMOS晶體管建模還待進(jìn)一步深入研究。一個(gè)準(zhǔn)確的噪聲模型對(duì)于設(shè)計(jì)低噪聲放大器是至關(guān)重要的。文獻(xiàn)M.W. Pospieszalski, “Modeling of Noise parameters of MESFETs and MODFETs and Their Frequency and Temperature Dependence," IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, vol. 37,

33、pp.1340-1350, Sept. 1989. mm-Wave Silicon Technology, 60GHz and Beyond, Ali M. Niknejad, Hossein Hashemi, Springer 2008中，基于上式的預(yù)測(cè)，繪出工藝節(jié)點(diǎn)與截止頻率和最小噪聲系數(shù)的圖，從圖中我們發(fā)現(xiàn)，在90nm節(jié)點(diǎn)，F(xiàn)min在60GHz頻點(diǎn)可以低到2.5dB，實(shí)際測(cè)試表明圖示結(jié)果的較低范圍內(nèi)與實(shí)際測(cè)試結(jié)果在1dB范圍內(nèi)浮動(dòng)，這是非常令人激動(dòng)的。例如，測(cè)試結(jié)果表明毫米波頻段（60GHz）在130nm晶體管中可獲得3-4dB的最小噪聲系數(shù)。這個(gè)性能水平是足夠滿足許多應(yīng)用了。剩余的挑戰(zhàn)

34、就在于建立一個(gè)能夠?qū)嶋H用于低噪聲噪聲匹配的放大器。毫米波射頻前端關(guān)鍵模塊隨著CMOS技術(shù)在工藝和器件上的進(jìn)步，CMOS電路設(shè)計(jì)在近十幾年來(lái)也得到了迅猛發(fā)展。至今，無(wú)論是在哪個(gè)工作頻段，設(shè)計(jì)高性能的低噪聲放大器（LNA）、混頻器（Mixer）和壓控振蕩器（VCO）總是研究重點(diǎn)。LNA處于接收前端的第一級(jí)，其噪聲系數(shù)在很大程度上決定了整個(gè)前端的噪聲性能。EllingerELUNGER F. 26-42 GHz SOI CMOS low noise amplifierJ. IEEE J Solid-State Circuits, 2004, 39(3):522-528.ELlNGER F. 60-G

35、Hz SOI CMOS traveling-wave amplifier with NF below 3.8 dB from 0.1 to 40 GHzJ. IEEE J Solid-State Circuits, 2005, 40(2):553.558.分別制作了35-GHz和59-GHz的LNA，雖然這兩個(gè)LNA都是基于90-nm SOI CMOS技術(shù)而非標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)，但是其性能已經(jīng)接近甚至超過(guò)采用InP實(shí)現(xiàn)的LNA。Masud等人MASUD M A, ZIRATH H, FERNDAHL M,et al.90 nm CMOS MMIC amplifierC 2004 IEEE RFI

36、C Symposium, 2004: 201-204.采用兩級(jí)放大來(lái)提高增益，首次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在標(biāo)準(zhǔn)90-nm CMOS工藝下的40-GHz LNA。文獻(xiàn)B. Heydari, M. Bohsali, E. Adabi, A.M. Niknejad, “Low-Power mm-Wave Components up to 104GHz in 90nm CMOS,” IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers, pp. 200-201, 597, Feb. 2007.基于90-nm CMOS工藝設(shè)計(jì)了2個(gè)中心頻點(diǎn)為61.5-GHz的LNA，分別采用2級(jí)共基放大電路和4級(jí)共發(fā)射極電路，

37、前者增益15dB、噪聲系數(shù)4-6dB、消耗電流6mA，后者增益20dB、噪聲系數(shù)4.8-6.2dB、消耗電流10mA。設(shè)計(jì)工作在毫米波頻段的混頻器同樣非常困難，Guan等人GUAN X, HAJIMIRI A. A 24 GHz CMOS front-endJ. IEEE J Solid-State Circuits, 2004, 39(11): 368-373.采用0.18-m標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計(jì)了第一塊24-GHz混頻器，隨后Emami等人EMAMI S, DOAN S H, NIKNEJAD A M, et al. A 60-GHz down-converting CMOS single

38、-gate mixerC 2004 IEEE RFIC Symposium, 2005: 163.166.采用0.13-m標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)60-GHz混頻器。在毫米波收發(fā)前端的設(shè)計(jì)中，VCO是另一個(gè)設(shè)計(jì)重點(diǎn)。VCO和分頻器在所有同步電路中起著關(guān)鍵作用。它們組成了PLL的核心元件。早在1988年，Banu就已經(jīng)制作出了第一塊1.4-GHz MOS振蕩器，1999年Kleve Land等人報(bào)道了第一塊10-GHz CMOS振蕩器，而在2004年Franca Neto等人FRANCE-NETO L M, BISHOP R E, BLOECHAL B A. 64GHz and 100GHz

39、 VCO's in 90 nm CMOS using optimum pumping methodC IEEE ISSCC Dig Tech Papers, 2004: 444-445.實(shí)現(xiàn)了第一塊104-GHz CMOS VCO。文獻(xiàn)A. Natarajan et al., “A 77-Ghz Phased-Array Transceiver With On-Chip Antennas in Silicon: Transmitter and Local LO-Path Phase Shifting,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 4

40、1, no. 12, pp. 2807-2819, Dec. 2006.中設(shè)計(jì)了一個(gè)應(yīng)用于無(wú)線收發(fā)機(jī)的52-GHz的PLL，包含了一個(gè)片上VCO，和一個(gè)注鎖式（injection-locked）分頻器作為第一級(jí)。該設(shè)計(jì)使用fT=200GHz的SiGe BiCMOS工藝，VCO（包括buffer）消耗25mW，分頻器鎖定頻率范圍3.1-GHz，消耗電流3.1mA，供電電壓2.5V。測(cè)試結(jié)果顯示相位噪聲為-95dBc/Hz1MHz頻偏處。J. Lee, “A 75GHz PLL in 90 nm CMOS,” ISSCC Dig. of Tech. Papers, pp. 432-433, Feb

41、. 2007.中，利用90-nm CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了一個(gè)全集成的75-GHz PLL，包含一個(gè)差分VCO，分頻比為64的分頻鏈路，PFD以及3階環(huán)路濾波器。其中分頻器結(jié)合采用注鎖式、Miller式和靜態(tài)三種結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在輸入頻率和工作頻段范圍實(shí)現(xiàn)了折中。測(cè)試結(jié)果顯示，相位噪聲為-88dBc/Hz100kHz頻偏處。對(duì)于VCO來(lái)說(shuō)，相位噪聲是一個(gè)重要的性能指標(biāo)。由于電感設(shè)計(jì)的好壞將直接影響VCO的相位噪聲，因此設(shè)計(jì)具有高Q值和低損耗的電感是至關(guān)重要的。當(dāng)前，在設(shè)計(jì)幾十GHz的CMOS VCO時(shí)，通常采用以下四種電感結(jié)構(gòu)：線電感、微帶線、共面波導(dǎo)和螺旋電感。Tang NianLuo等人LUO T

42、N, BAI S Y, CHEN Y J E, et al. A 1-V CMOS VCO for 60-GHz applicationsC 2005 IEEE APMC Proceedings. Taipei, Taiwan, 2005.制作了50-GHz CMOS VCO，其電感采用線電感結(jié)構(gòu)，電感的仿真Q值在50-GHz能夠超過(guò)30，最后整個(gè)VCO的相位噪聲可以達(dá)到-96 dBc/Hz1MHz。Ren ChlehLiu等人LIU R C, CHANG H Y, WANG C H, et al. A 63 GHz VCO using a standard 0.25 m CMOS

43、processC 2004 IEEE International Solid-State Circuits Conference, 2004: 446-447.則利用非對(duì)稱共面帶狀線（ACPS）結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電感，采用0.25-m標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制作了63-GHz VCO，其相位噪聲達(dá)到-85 dBc/Hz1MHz。雖然螺旋電感在毫米波頻段的性能不是很好，但是通過(guò)改變形狀和結(jié)構(gòu)，螺旋電感仍然可以應(yīng)用于毫米波CMOS集成電路。Changhua Cao等人CAO C, KENNETH K O. Millimeter-wave voltage-controlled oscillators in 0.13-

44、m CMOS technologyJ. IEEE J Solid-State Circuits, 2006, 41(6):1297-1304.改變了傳統(tǒng)螺旋電感的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出了差分圓形螺旋電感，在0.13-m標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下，利用這種結(jié)構(gòu)的螺旋電感，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了59-GHz和105-GHz的CMOS VCO，其相位噪聲分別達(dá)到-89dBc/Hz1MHz和-97.5dBc/Hz1MHz。 脈沖生成器B.B.M. Wasanthamala Badalawa and M. Fujishima. 60 GHz CMOS pulse generator. Electronics Letters

45、 2007 Vol. 43 No. 2實(shí)現(xiàn)了一個(gè)60-GHz脈沖生成器，可以應(yīng)用于無(wú)壓縮的HDTV數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)射鏈路。該脈沖生成器僅使用CMOS晶體管，采用9層金屬的90-nm CMOS工藝，載波頻點(diǎn)為62.5-GHz，供電電壓1.15V，輸出功率-25dBm，輸入頻點(diǎn)1.5GHz，功耗11.5mW。 集成的毫米波射頻前端最近幾年，毫米波CMOS收發(fā)前端的研究越來(lái)越受到重視。就毫米波CMOS收發(fā)前端的系統(tǒng)架構(gòu)而言，它與工作在低GHz的CMOS射頻收發(fā)前端的架構(gòu)幾乎相同。2006年RazaviRAZAVI B. A 60-GHz CMOS receiver front-endJ. IEEE J Solid-State Circuits, 2006, 41(1):17-22.報(bào)道了采用0.13-m標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制作的第一個(gè)60-GHz CMOS接收前端。該接收前端的設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：首先，采用了折合微帶線結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)電感和互連線；其次，在LNA設(shè)計(jì)中采用了共柵極結(jié)構(gòu)；最后，MIXER采用了單平衡混頻器結(jié)構(gòu)。整個(gè)接收器的增益達(dá)到