60GHz及Q波段CMOS功率放大器增益增强与片上功率合成技术研究

The CMOS millimeter-wave power amplifier design is always limited by the breakdown voltage and high frequency gain of CMOS process. Due to shortage of effective gain-boosting technique and on-chip power combining technique for millimeter-wave power amplifier design and accurate millimeter-wave MOSFET large signal model, the performance of CMOS millimeter-wave power amplifier is badly affected, which makes it unable to satisfy the requirement of millimeter-wave short range communication of global 60GHz and our national Q-LinkPAN standard. This project revolves around the key issues of CMOS millimeter-wave power amplifier design, such as parameter extraction of millimeter-wave device and model correction, gain-boosting technique and on-chip power combining technique. The whole research includes: (1) Research on all network parameter calculation based de-embedding method. (2) Research on LC impedance tuning and 3D ground-shielding based millimeter-wave power amplifier gain-boosting technique. (3) Artificial transformer on-chip power combining based high output CMOS millimeter-wave power amplifier. This research will effectively fills the blank of millimeter-wave MOSFET measurement de-embedding and large-signal model and improves the design methodology of CMOS millimeter-wave power amplifier. In addition, it could promote the rapid development of CMOS process based millimeter-wave high-speed wireless communication technology.

CMOS毫米波功率放大器的设计，一直受到CMOS工艺在击穿电压及高频增益等方面的制约。由于缺少有效的毫米波功率放大器增益增强与片上功率合成的电路拓扑结构及准确的毫米波MOSFET大信号模型，严重影响了CMOS毫米波功率放大器的性能指标，使其无法满足全球60GHz以及我国Q-LinkPAN标准毫米波短距离通信的需求。本项目围绕毫米波器件参数提取与模型修正、增益增强与片上功率合成技术等设计CMOS毫米波功率放大器的关键问题展开研究，包括（1）研究全网络参数计算的MOSFET毫米波测量去嵌入方法；（2）研究基于LC阻抗调节与3D电磁屏蔽的毫米波功率放大器增益增强技术；（3）基于人工变压器片上功率合成的高输出CMOS毫米波功率放大器。本研究将有效地填补毫米波MOSFET测量去嵌入与大信号模型方面的空白，创新CMOS毫米波功率放大器的设计方法，促进基于CMOS工艺的毫米波高速无线通信技术的快速发展。

研究团队在国家自然科学基金委的支持下，经过项目组成员共同努力，按照研究内容，完成了“60GHz及Q波段CMOS功率放大器增益增强与片上功率合成技术”的研究。本项目以CMOS毫米波功率放大器的设计为重点，研究毫米波功率放大器在高频增益和输出功率方面所受制约。. 本项目针对毫米波无线通信系统的应用要求和特点，提出了一种毫米波CMOS场效应管测量去嵌入技术。研发了一种新型的完全基于矩阵参数计算的去嵌入方法。在此方法中，一个专门的开路(Open)测试结构被用来消除源极连接线及输入输出互连线间的耦合效应。此外，一个短路(Short)测试结构被用来去除源极连接线的影响；研发了一种3D电磁屏蔽结构，并提出了一种基于LC阻抗调节的CMOS毫米波功率放大器增益增强技术；研究了CMOS毫米波功率放大器片上功率合成技术，对现有功率合成技术进行了分析， 扩展了适合于CMOS工艺的毫米波功率放大器片上功率合成技术。