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使用CMOS製程之60 GHz WiGig接收機與D頻段訊號源設計

為了解決2014 C300 規格的問題，作者張譽騰 這樣論述：

本論文的研究主題是V頻帶WiGig低功耗接收機和使用矽透鏡封裝之D頻段訊號源設計。本V頻帶WiGig低功耗接收機擁有足夠的增益和較低的直流功耗，並可藉由內建功率偵測器偵測功率大小，切換不同的增益來提高線性度，以避免接收機增益飽和。在該系統中，低功耗可調式增益低雜訊放大器和混頻器相當重要，我們採用電流再利用技術來節省直流功率，也可避免可調式增益低雜訊放大器之阻抗變化。最後，再透過基頻放大器補足接收機增益以達到預期的規格。對於毫米波D頻段訊號源，本論文將會說明如何設計D頻段訊號源電路，並簡述天線和矽透鏡封裝之理論和模擬。一般基頻之高頻訊號源設計，將會遇到可調頻率範圍和交直流轉換效率之問題，故本論

文採用切換式變壓器，來改善輸出頻率範圍。為了解決效率問題，我們設計70 GHz之振盪器串接倍頻器以產生140 GHz訊號源，並改善交直流轉換效率，以降低直流功耗。最後，在將140 GHz訊號源與晶片天線整合，然後再透過矽透鏡封裝後，來提升D頻段訊號源的EIRP和效率。本論文之電路採用台積電40 nm LP CMOS製成來實現低功率之V頻帶接收機之設計，此電路採用直接轉換接收機架構，接收機包含可調式低雜訊放大器、次諧波混頻器、功率偵測器和基頻放大器。為了節省直流功率，可調式低雜訊放大器和次諧波混頻器採用電流再利用技術來實現，而功率偵測器採用平方律之架構來偵測功率以控制可調式低雜訊放大器，並使用C

heery-Hooper放大器做為基頻放大來補足增益。在60 GHz時，其量測的頻寬可以同時涵蓋四個通道。當電源電壓為1.1 V時，其直流功耗為31.5 mW。在不同的增益下，量測的2-dB增益頻寬範圍在60 GHz附近時，可大於10 GHz。在高增益模式下，每一個通道的量測到2 dB的頻寬皆大於2 GHz，每個通道的最高增益也大於30 dB。在切換增益時，接收機的增益分別為30.89 / 26.05 / 22.65 / 18.64 dB，而且四個通道的平均IP1dB分別為-42.55 / -37.65 / -33.28 / -29.23 dBm。 另外，本論文的電路採用台積電40 nm

GP CMOS製成來實現低功率之D頻段訊號源設計，為了擴展調諧範圍，我們採用切換式變壓器改變其耦合係數做為頻率的粗調，而由變容器進行頻率的微調。此次140 GHz訊號源是由70 GHz 的VCO與頻率倍頻器串接所組成的。我們採用開槽環型天線來解決晶片佈局金屬密度限制問題，再將矽透鏡與晶片封裝後，進而提高晶片天線的增益和EIRP。在電源電壓為1 V時，其直流功耗為51 mW，振盪器量測到的頻率範圍約為14.5％，即從122.9 GHz至142.9 GHz。在142 GHz時，峰值輸出功率和峰值效率分別為-2 dBm和1.74％。在天線方面，量測的輸入反射係數小於-10 dB之頻率範圍是從140

GHz到175 GHz。當透鏡的半徑為2.5 mm，5 mm和8 mm時，訊號源量測所得的最高的EIRP分別為5.63 / 11.33 / 16.94 dBm。