Designs of Baluns and Down-Conversion Mixers for V-band Wireless Communication System

摘要 本論文探討應用於V頻段無線通訊系統之巴倫器與降頻混頻器設計，內容包含元件及電路設計、模擬分析、晶片量測、結果討論。論文整體主軸可分為五個章節： 第一章簡述研究背景，並對過去相關的研究做一個簡單的介紹。 第二章為混頻器的原理介紹，介紹混頻器的基本概念、常見的混頻器基本架構與各項效能參數討論。 第三章為應用於V頻段的巴倫器研究。在此章我們首先介紹巴倫器的參數與一些常見的架構，最後使用台積電90nm CMOS製程下，設計了三個應用於60GHz的Marchand 巴倫器並透過ADS做電磁模擬。 第四章為應用於60GHz降頻混頻器之設計，可分為外差式降頻與直接降頻式兩種系統架構。在超外差式降頻方面，首先先介紹之前實驗室學長所設計利用平方律架構的混頻器，此混頻器可將60GHz射頻訊號降至12GHz。其次介紹我所設計的混頻器，此混頻器亦可將60GHz射頻訊號降至12GHz。最後介紹我所設計的混頻器，此電路是透過源極退化技巧與摺疊式混頻器來改善傳統吉伯特電路的雜訊與線性度，使其可以將12GHz中頻訊號降至基頻。在直接降頻方面，在原本吉伯特電路下加上了改良後的電流注入技巧，藉以改善其增益與線性度，使其可以將60GHz射頻訊號直接降至基頻。而以上的製程皆是使用台積電90nm CMOS製程。 最後，第五章則總結各章的研究成果並探討未來的研究方向。Abstract This thesis presents the designs of baluns and down-conversion mixers for V-band wireless communication systems. The content includes the circuit design, simulation analysis, chip measurement results, and a short discussion. This thesis consists of five main parts: In Chapter one, we will briefly introduce our research background and review some studies about this thesis. In Chapter two, we introduce design concepts of mixers, and discuss general considerations in the design of mixers. Furthermore, we describe conventional topologies and performance parameters of mixers. In Chapter three, we present the study of V-band baluns. At first, we describe the performance parameters and some topologies of baluns. Then, designs of three 60GHz Marchand baluns and simulation results by using ADS Momentum EM tool under TSMC 90nm CMOS process technology are presented. In Chapter four, the mixer designs for 60GHz applications in two types of architectures, heterodyne and homodyne, are presented. In the heterodyne receiver, we introduce a square law mixer design by a senior member of our laboratory at first. That square law mixer down-converts the RF signal from 60GHz to 12GHz IF band. Second, we introduce another mixer design that also down-converts the RF signal from 60GHz to 12GHz IF band. Finally, we introduce a mixer design by using source degeneration and folded topology to improve Gilbert cell’s noise figure and linearity. This folded mixer down- converts the IF signal from 12GHz to the baseband. In the homodyne counterpart, we introduce a mixer which bases on the Gilbert cell and we add the improved current bleeding technique. By doing so, the conversion gain and the linearity of the mixer are improved. The homodyne mixer down-converts the RF signal from 60GHz to the baseband directly. All of the circuits are designed in the TSMC 90nm CMOS process technology. In Chapter five, we make a simple conclusion and shortly discuss the possible study for future work.目錄 致謝 I 摘要 II Abstract III 目錄 V 圖目錄 VII 表目錄 X 第一章 緒論 1 1.1無線通訊系統的介紹 1 1.2毫米波介紹與60GHz應用 4 1.3文獻回顧 6 1.4論文大綱 7 第二章混頻器原理介紹 8 2.1 混頻器介紹 8 2.1.1 簡介 8 2.1.2 原理 9 2.2 混頻器架構介紹 10 2.2.1 電阻性混頻器(Resistive mixer) 10 2.2.1單平衡式主動混頻器(Single-balanced mixer) 12 2.2.2 雙平衡式主動混頻器(Double-balanced mixer) 14 2.3混頻器重要特性參數 18 2.3.1轉換增益(Conversion Cain) 18 2.3.2線性度(Linearity) 19 2.3.3雜訊指數(Noise Figure，NF) 23 2.3.4隔離度(Isolation) 25 第三章巴倫器 26 3.1 巴倫器介紹及其規格 26 3.2巴倫器種類 27 3.2.1主動式巴倫器 28 3.2.2被動式巴倫器 30 3.3 Marchand Balun設計 32 3.3.1 Marchand Balun理論 33 3.3.2 60GHz Marchand Balun設計架構與佈局圖 34 3.3.2.1疊層螺旋形結構 34 3.3.2.1.1疊層螺旋形結構模擬結果 36 3.3.2.2疊層螺旋形結構+Metal1鋪地 38 3.3.2.2.1疊層螺旋形結構+Metal1鋪地模擬結果 40 3.3.2.3疊層折線型結構 42 3.3.2.3.1疊層折線形結構模擬結果 44 第四章應用於V-band之混頻器 46 4.1 混頻器電路分析與改良技巧 46 4.1.1電路分析 46 4.1.2源極退化 49 4.1.3電流注入技巧 50 4.1.4交叉耦合PMOS電流注入技巧 53 4.2 應用於超外差式之60GHz混頻器電路分析與設計 56 4.2.1系統架構 56 4.2.2 60GHz降至12GHz頻帶混頻器設計一 57 4.2.2.1電路架構 57 4.2.2.2晶片攝影圖 59 4.2.2.3 60GHz降至12GHz頻帶混頻器的模擬及量測結果 60 4.2.3 60GHz降至12GHz頻帶的混頻器設計二 61 4.2.3.1電路簡介 61 4.2.3.2電路架構 62 4.2.3.3電路佈局圖 64 4.2.3.4電路模擬結果 66 4.2.4 12GHz降至基頻的混頻器 71 4.2.4.1電路架構 71 4.2.4.2電路佈局圖 73 4.2.4.3電路模擬結果 76 4.2.4.4電路量測結果 80 4.2.4.5電路結果與討論 85 4.3 應用於直接降頻式60GHz混頻器電路分析與設計 87 4.3.1系統架構 87 4.3.2電路架構 88 4.3.3電路佈局圖 90 4.3.4電路模擬結果 92 4.3.5電路量測結果 95 4.3.6電路結果與討論 99 第五章 結論與未來展望 101 參考文獻 10