面向60GHz通信-雷达应用的可配置毫米波锁相环系统

5G, internet of vehicles, intelligent family and sensor networks strongly call for combination of communication and radar functions. Based our previous result on 60 GHz communication RF transceiver and 94 GHz radar transmitter chips, using CMOS process, regarding the 60 GHz high-order communication (>64QAM) and precise radar applications, this project is to investigate the design theory and methodology for reconfigurable sigma-delta Fractional-N PLL.. After understanding the CMOS devices parasitic effects and loss mechanism, their effects on the key circuits’ performance will be demonstrated. Based on two-mode oscillator, then the reconfigurable sigma-delta Fractional-N PLL will be introduced and their optimization methodology and compensating techniques will be explored. Following research on design techniques of the VCO, frequency divider and frequency doubler and sigma-delta modulator, the design theory and methodology for reconfigurable sigma-delta Fractional-N PLL will be concluded. .It is believed that this project results will advance the integral system of communication and radar , and in the end give a strong support for 5G applications.

5G移动通信、车联网、智能家庭、具有定位和监测功能的无线传感网络等诸多应用提出了强烈了毫米波通信-雷达一体化需求。基于申请人及团队在60GHz V波段全集成通信收发机及94GHz W波段雷达发射机的工作基础，采用CMOS工艺，面向60GHz通信高阶调制（64QAM及以上）及雷达高精度探测应用，开展可配置毫米波锁相环系统的设计理论和技术的创新性研究。. 对CMOS有源器件及无源器件寄生效应和损耗机制进行深入研究，揭示出其各自参数对压控振荡器等时钟电路性能的影响；提出基于双模压控振荡器的可配置∑-△小数分频锁相环结构，开展可配置锁相环系统优化方法及补偿技术研究，提升压控振荡器、分频器及∑-△调制器等关键电路及模块性能，形成较为完整的毫米波可配置锁相环设计理论及方法。. 以上方面的研究成果将有力推动我国通信-雷达一体化理论和技术的发展，为5G毫米波通信系统的实现提供有力支撑。

面向5G/6G通信与雷达融合、定位与监测、智慧城市等应用，基于CMOS工艺，本项目从系统、关键电路等层面开展了创新研究，在压控振荡器及倍频器等关键电路、雷达及通信锁相环、60GHz 及100GHz 等微波毫米波雷达及通信系统芯片与应用演示等方面开展了深入研究，取得了较为丰富的成果。项目开展期间，积极开展国际合作与交流，在IEEE T-MTT、T-VLSI、T-AP等重要期刊及会议上发表论文28篇，其中SCI论文20篇，培养硕博士生16人。.在关键电路方面，采用极零点等理论分析方法，从理论上阐述并证明了有源及无源电路对压控振荡器等电路性能的影响，融合电容分离、变压器反馈等技术，提出并实现多款高性能毫米波压控振荡器及倍频器电路结构。.在锁相环电路方面，基于Σ-△调制器等关键电路可配置功能，实现整数、分数、三角波、锯齿波等雷达及通信时钟功能。提出基于嵌套锁相环的毫米波频段FMCW调制器结构，实现四款高性能毫米波通信及雷达用锁相环电路。结合仿真及理论分析，证明子锁相环相位低通滤波效果，提升相位噪声及调频线性度性能。.基于以上研究成果，基于分立器件、65nm CMOS、LTCC 等工艺，实现了5.8GHz、100GHz 及60GHz 微波毫米波雷达及通信芯片、天线及模块，完成通信及雷达功能演示。在5.8GHz频段，提出新型低成本、低复杂度双音低中频雷达架构，从原理上有效缓解雷达系统中闪烁噪声和交流失真等对信号质量的影响，提高雷达探测精度。提出基于希尔伯特变换算法和基于包络检波器电路的包络检测技术，降低系统资源消耗。实现一款5.8GHz 雷达模块，完成人体呼吸音及心跳等生命体征检测。 在60GHz 频段，实现60GHz 多波形可配置雷达芯片，融合连续波及FMCW雷达波形，完成高精度多目标雷达探测试验验证；采用射频移相结构，实现60GHz多通道相控阵通信芯片。在100GHz 频段，实现100GHz 毫米波连续波雷达全集成芯片，探测灵敏度可达1um，首次开展牛蛙等小生命体生命体征信息探测、薄膜材料声致震动特性等试验验证。.感知通信一体化应用是5G/6G移动通信的重要研究内容，以上工作将对我国5G/6G研究起到重要的推动作用。