单片射频微波集成电路技术与设计 MMIC天线及收发机

与传统混合方法相比，集成发射机和接收 机的不足之处： 隔离器和滤波器不能简单地插入电路，用 以改善端口的隔离性或减少杂散信号电平，并且 多种电路功能的紧密封装会引起不需要的耦合和 无法预料的反馈路径。 设计集成发射机和接收机面临的困难： 1. 低相位噪声振荡器的集成； 2. 集成高选择性滤波器； 3. 实现高发射效率； 4. 集成双工功能； 5. 耦合和泄漏最小化； 6. 在单片上实现RF和基带功能； 17 7. 确保对于众多DC偏置线的足够去耦。 偏置线的足够去耦
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• 作业
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阅读下列参考书 1. Julio A. Navarro, Kai Chang, “Integrated Active Antennas and Spatial Power Combing”, John Wiley, USA, 1996. 2. Stephen J S, “ Receiving Systems Design”, Artech House,, MA, 1984.
极化
线极化/圆极化 线极化 线极化/圆极化 线极化/圆极化 线极化 线极化 线极化
带宽
窄 中 窄 宽 宽 宽 中
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天线孔径D、波束宽度 ϕ 、和增益G之间的近似关系
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ϕ = (λ D)[rad ]
πD 2 G = η( ) λ
η 天线效率
在很高的频率上用尺寸小的天线很容易获得很 窄的波束宽度（即高的角度分辨率）和高增益。同 时，短波长也意味着天线的尺寸公差必须非常精 细，典型值为优于λ/30 。 发射天线类型：单谐振元件（或谐振元件的阵 列）、行波天线和孔径天线，孔径天线进一步被划 分为喇叭天线、反射器天线和透镜天线。 8
自跟踪集成混频接收机
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•集成天线设计
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平面集成天线与微带和CPW传输线兼容，并且 其结构与单片技术也相容，平面集成天线很有吸引 力!
•集成天线类型选择
类型
贴片型 槽型 环型 螺旋 领结 Vivaldi 漏波
方向性
中 中/低 中 中 中 中/高 高
远场图
宽边 宽边 宽边 宽边 宽边 端射 扫描
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MEMS微带天线阵：(a) 无沟槽；(b) 正面沟槽；(c) 背面沟槽.
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微机械加工喇叭天线
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MEMS可重新配置V型天线(17GHz)
MEMSV型天线波束控制(E平面)
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&9.3 集成收发机
2.4GHz无线LAN应用中的单片收发机的缩影照片
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38GHz的发射机芯片：（a）缩影照片；（b）原理方框图
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带天线的集成77.6GHz FMCW雷达芯片
在毫米波频率，把方向天线集成到芯片上容易做到的， 大量减少电路复杂度的创新方法已经被证明，包括自混频振 荡器,自振荡混频器和将单LO电路同时用于发射机和接收机 的新方法。随着技术进一步发展到入毫米波频率范围，准光 20 学功率合成和集成相控阵天线也变得实际。
Q= VSWR − 1 B VSWR
表面波可以改变远场辐射方向图，尤其是对 于天线交叉极化和旁瓣响应. TMo模式作为主要泄漏时对应的截止频率 75 fc = 4 h ε r −1
与使用低介电常数、厚基片的天线相比，使 电子科技大学 用薄型高介电常数的基片会导致天线带宽窄。 对于集成天线，使用硅或砷化镓设计宽带系 统较困难。
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38GHz的接收机芯片：（a）缩影照片；（b）原理方框图
谐波混频器优点在于能够降低LO输入频率和加大LO与RF的 隔离, 在毫米波应用中逐渐普遍。 使用电阻混频器的38GHz发射机和接收机。镜频抑制混频器 和单边带上变频器广泛用于所有频率范围，因为它们降低了RF 输入和输出的滤波要求。多种技术的综合，比如偶次谐波镜频 抑制混频器或者谐波泵浦SSB混频器,通常具有许多优点，而其18 增加的复杂度是可以容忍的。
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1. 工作频率与带宽 2. 功率容量 3. 辐射效率 4. 增益 5. 方向性 6. 极化特性 7. 旁瓣响应 8. 隔离度(交叉极化) 9. 端口阻抗匹配 10.物理形状
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&9.2 集成天线技术
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集成天线通过印刷或蚀刻在某种绝缘或铁磁性 基片上实现。 考虑的问题是基片介质和金属的的损耗。如使 用薄型低损耗基片，天线表现出高Q和窄带宽特性。 天线带宽B与其VSWR和负载Q的关系:
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第九章 集成天线及收发机
天线是射频/微波/毫米波前端中一个至关重 要的关键部件。
和所有批量生产的电子器件一样，天线发展 的推动因素是在不降低其性能的情况下降低成 本、重量和体积。天线的成本与其复杂程度、制 造工艺和要求首次设计成功的非重复制造时间直 1 接相关!
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&9.1 天线性能参数
• 集成天线应用
集成无源天线和阵列
双频移动通信 双频卫星通信 双极化移动通信 蜂窝通信
集成有源天线
多普勒传感器 军用相控阵列 移动无线 卫星通信 反向车辆跟踪 车辆识别 道路条件监视 标签 BPSK调制器 成像
有源天线
VHF接收放大器 VHF发射器 相控阵列波束控制 电视接收机
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(a)范阿塔阵列和(b)频率偏移范阿塔阵列
•集成天线应用
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集成式GaAs发射天线中，一个非谐振锥型槽孔 （或槽口）天线与CPW谐振器弱耦合在一起，对铜 12 热沉淀的耿氏二极管形成谐振电路.
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MEMS开槽的微带贴片天线
微机械加工技术可以使用湿蚀刻来生产边沿， 使天线和贴片或槽边之间逐渐变小，产生了一个悬 13 垂导体，这样EM场就能直接辐射到自由空间中 。
直接调制硅贴片天线
•集成天线特性测量
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测量平面集成天线的输入回波损耗和远场方 向图非常困难，这是因为集成天线与测量设备只 能通过一个在芯片上的探针进行连接。
•集成天线封装
毫米波前端模块
使用密封式封装技术，将MMIC 器件和平面天线都封装在内。 封装使用了带硼酸盐玻璃（和 科瓦铁镍钴合金有相同的膨胀率） 的科瓦铁镍钴合金，将一个完整的 59.5GHz发射机封装起来。 该前端由一个MMIC平衡混频器、 一个带通滤波器、两个180°耦合 器、一个四级功率放大器和一个微 带贴片天线组成，它们之间通过导 11 线焊接在一起。
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RF/CMOS整流天线 电路是一个HRS接收机，由一个94.6GHz的串 联微带偶极天线构成，其基片厚度为10um.
在晶片抛光的那一面生产贴片， 接地面位于未抛光的一面。贴片金属 与抛光硅之间紧密接触的一小块区域 形成了金属半导体势垒，而接地金属 和不光滑的硅之间在比较大的区域不 太紧密地接触，等同于许多金属半导 体势垒并联，形成了欧姆接触。总体 10 效果就是在贴片和接地面之间形成了 一个分布式整流二极管。
•集成天线基片的选择
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把天线集成到高介电常数基片上所带来的一 个特殊的问题就是其与普通制造工艺的兼容性。 大多数情况下，要考虑制造所用晶片厚度和它与 表面波效应的关系.
用氧化铝生产的平面天线工作频率可达40 GHz，使用蓝宝石和石英可达300GHz。 9 使用薄或厚薄膜制造工艺可沉积金、铝、铜等 金属。