面向60 GHz无线系统的CMOS RF SoC设计

本文将描述一种可能的射频系统级芯片(SoC)设计,它向后兼容60GHz与5GHz无线局域网络系统。该SoC能支持工作在60 GHz的智能天线阵列,并采用正交频分复用(OFDM)技术实现多路5GHz的输入/输出。

研制毫米波RF收发器一直是一项非常尖端的技术。自1980年以来,业界已经流行用鳍线介质波导与非辐射介质(NRD)波导来实现混合收发器模块。前者首先在美国得到广泛使用,后来扩展到欧洲。NRD波导是由Tsukasa Yoneyama发明的,他后来设计和开发了用于各种无线通信系统的毫米波NRD收发器。鳍线与NRD波导都为非平面波导,因此经常需要实际的机械设计。随着复合半导体技术的进步,毫米波长的多功能RF IC已经包含越来越多的构建模块。此外,RF IC在平面衬底上的倒装芯片集成已经变成普通的事。

但与RF收发器有关的所有这些毫米波集成必须仔细考虑与天线或滤波器的接口,因为波导的非连续性问题常常很严重。另一方面,CMOS RF IC在802.11a/b/g无线局域网(WLAN)器件中已经流行,而且除了WLAN,它很快还将统治蜂窝领域。由于CMOS技术仍将遵循摩尔定律,我们预计CMOS的60GHz无线应用在不久的将来会成为现实。

CMOS天线阵列包含2 x 4个辐射单元,尺寸为4.8 x 3.8 mm2,占据了60GHz CMOS收发器RF SoC(5 x 5 mm2 )的大多数面积。目前,低噪声放大器、功率放大器以及谐波混频器(SHM)都不能用0.25微米CMOS工艺实现60GHz的设计。迄今为止,这些器件仍不得不被置于芯片的外部。

采用0.15微米高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺制造的SHM面积为1.3 mm2,其输出为5至 6GHz的 IF信号,变频增益大约为2dB。这种SHM将合成准横向电磁波(TEM)传输线用于RF扼流、匹配电路及抽头。这种螺线可以将输出匹配至5GHz的工业、科学及医疗无线电频段。

我们相信,这种紧凑的SHM设计是迄今为止同类设计中尺寸最小的方案。合成准TEM传输线又称为补充导电片(CCS)传输线(TL),它以一种周期性的方式将微波传输带与调谐隔片整合在一起,允许灵活地控制特性阻抗和慢波系数等受IC工艺限制的参数。CCS TL对紧凑型的设计并不敏感,因为它比传统薄膜微带电路更不易受曲折电磁波的影响。

薄膜微带显示出比CCS TL更多的衰减,尽管CCS TL在靠近有损硅衬底的地方有一个穿孔地平面。当CMOS工艺可以实现60GHz无线RF电路时,CCS TL将被集成进芯片,以适应RF SoC的尺寸。

此外,在5 GHz频率,700微米长的CCS TL将导致每波导波长11.5dB的损耗。当对波导波长规格化以后,TL通常将产生更大的损耗,因为它在更低的频率上具有更大的趋肤深度(skin depth)。

我们开发了一种所谓的有源CCS TL,它用一种称为λ二极管的负差分电阻电路来进行周期加载。类似的概念已经被应用到5.23 GHz交叉耦合差分振荡器的设计中,其中CCS TL充当一个有损共振器,它因负差分电阻产生损耗偏移,从而提供理论上只有40 MHz偏移的稳定振荡器。目前,该有源CCS TL被用来制造CMOS微波3dB混合器,该混合器可提供用于射频信号正交检测的精确I/Q输出。

因此,我们的新方法利用合成传输线来设计60GHz CMOS RF SoC。测量及理论结果表明,所建议的波导技术可以用来设计基于有损硅衬底的毫米波与微波器件。60GHz/5GHz无线系统接收器的天线可以用波导馈入槽孔型天线阵列来实现,以消除有损衬底导致的不良效应。仿真结果显示,天线增益在60 GHz时为5.24 dB,其3dB波束宽度为40度。

此外,我们还在砷化镓和硅衬底上制造并测试了另一种准TEM CCS传输线。测量结果表明,在毫米波频段,CCS传输线的衰减常数比传统薄膜微带传输线低。有源CCS TL还被用来实现5GHz的无LC振荡器,从而证明为接收系统设计构建模块的可行性,包括在微波频段的谐波混频器、90度混合器以及压控振荡器等。

根据这些工作,我们相信在不久的将来,当130纳米以下的CMOS器件变得流行时,用CMOS工艺制造单芯片RF SoC将成为现实。

作者:Ching-Kuang C. Tzuang

台湾大学通信工程研究生院

Hsien-Shun Wu、Hsien-Hung Wu、Ta-Sung Lee

台湾交通大学通信工程系