Frequency Tripler for 24GHz and 77GHz Automotive Radar Applications

近來，CMOS工藝技術在整合電路上可用於微波頻段，如24 GHz，77 GHz和79 GHz汽車碰撞雷達，然而高頻VCO會有調諧範圍和操作頻率的限制。為了減少設計負擔，可以使用倍頻器搭配振盪器來提供所需的高頻信號。 本論文分別介紹了使用注入鎖定和次諧波混頻技術的三倍頻器設計和實現。 為了提供具有9倍振盪頻率的較高頻率輸出，次諧波混頻器之後是在振盪器的輸出的注入鎖定頻率三倍。 8GHz壓控振盪器（VCO）提供注入頻率三倍的頻率混頻信號。 VCO提供7.86-8.91 GHz的調諧。 提出的第一級三倍頻器提供23.6-26.7 GHz的調諧範圍，功耗為30.9mW，相位雜訊在頻率偏移1MHz處為-99.5 dBc/Hz。 具有輸出緩衝器的第二級三倍頻器提供70.8-80.2 GHz的調諧範圍，在整個電路中的功耗為14.6mW，在頻率偏移1MHz處為 -89.6dBc/HzRecently, CMOS process technology is making integrated circuit can be used in the microwave frequency bands, such as 24 GHz, 77 GHz and 79 GHz automotive crash radars. High-frequency VCO exhibits the limitation of tuning rang and operation frequencies. In orderto reduce the design burden, the frequency multiplier with an oscillator can be adopted to provide the required high-frequency signals. The thesis presents the design and realization of two stages of triplers using injection-locked and sub-harmonic mixing techniques, respectively. In order to provide higher frequency output with nine times of the oscillation frequency, the sub-harmonic mixer is followed by the injection-locked frequency tripler which is applied at the output stage of the oscillator. The 8GHz voltage-controlled oscillator (VCO) provides the signals which are injected into the frequency tripler for frequency mixing. The VCO provides the tuning of 7.86-8.91 GHz. The proposed 1st-stage frequency tripler provides the tuning range 23.6-26.7 GHz and dissipate 30.9mW, and the simulated phase noise is -99.5 dBc/Hz at 1-MHz frequency offset. The 2nd-stage frequency tripler with output buffer provides the tuning range 70.8-80.2 GHz and dissipates 14.6mW in the whole circuit, and the simulated phase noise is -88.6dBc/Hz at 1-MHz frequency offset.致謝 i 摘要 ii Abstract iii 目錄 iv 圖目錄 vi 表目錄 viii 第一章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 短距離汽車防撞雷達簡介 1 1.3 論文概要 3 第二章 振盪器研究 4 2.1 壓控振盪器介紹 4 2.2 振盪器分析 4 2.2.1 環形振盪器 5 2.2.2 電感電容諧振振盪器 6 2.2.3 振盪器之相位雜訊分析 9 2.2.4 振盪器架構與雜訊抑制 14 2.3 四相位LC壓控振盪器 16 2.3.1 正交相位壓控振盪器的種類 18 2.3.2 四相位壓控振盪器相位雜訊與相位準確度之分析 20 2.3.3 電感與變壓器特性分析 23 2.3.4 品質因數Q 26 2.3.5 變容器分析 27 第三章 注入式鎖定三倍頻器 30 3.1 簡介 30 3.2 注入鎖定現象 30 3.2.1 注入牽引現象 34 3.2.2 注入鎖定振盪器之應用 35 3.3 電路架構 35 3.3.1 注入式鎖定三倍頻器 36 3.3.2 電路模擬 41 第四章 次諧波混頻器 46 4.1 簡介 46 4.2 混頻器 46 4.3 混頻器架構 47 4.3.1 被動式混頻器 48 4.3.2 單平衡式混頻器 49 4.3.3 雙平衡式混頻器 50 4.4 次諧波混頻器 52 4.4.1 次諧波混頻器混頻原理 52 4.4.2 次諧波混頻器架構 54 4.4.3 77GHz次諧波混頻器 56 4.5 電路模擬 58 第五章 結論 62 參考文獻 6