崔恒榮，王 偉，孫 蕓，張 挺，孫曉瑋

(中國科學(xué)院太赫茲固態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050)

60 GHz 是新一代的寬帶無線通信技術(shù)，具有高達(dá)數(shù)Gbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸能力，廣泛應(yīng)用于超高速無線本地局域網(wǎng)(WLAN)、無線個人局域網(wǎng)(WPAN)和超高速點(diǎn)對點(diǎn)通信中，同時在近程探測技術(shù)中也有著廣泛的應(yīng)用前景。

目前為止，國外多家研究機(jī)構(gòu)和公司均開展了60 GHz 無線通信技術(shù)的研究［1-3］，包括60 GHz 通信機(jī)理研究，通信芯片設(shè)計和設(shè)備開發(fā)等。2007年SiBeam 推出了全球第一款基于CMOS 工藝的60 GHz 無線傳輸芯片;隨后在2011 CES(國際消費(fèi)電子展)展上，戴爾、華碩、友旺科技、VIZIO、Monster 均推出了基于SiBeam 芯片的無線傳輸應(yīng)用系統(tǒng);2012年IMEC 與松下合作開發(fā)了傳輸速度高達(dá)7 Gbit/s的低功率無線傳輸模塊原理樣機(jī)。而60 GHz 寬帶無線通信技術(shù)在國內(nèi)的研究才剛剛起步［4-7］。

60 GHz 頻段頻率較高，波長短，細(xì)小的結(jié)構(gòu)變化對于系統(tǒng)的性能有較大的影響，高性能毫米波T/R 組件是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。而在通信前端系統(tǒng)設(shè)計中經(jīng)常會遇到毫米波平面路到波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，因此具有低損耗和結(jié)構(gòu)簡單的微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)性能有著很大的影響。另外，共面微帶傳輸線技術(shù)，包括印刷電路板和陶瓷襯底材料的線路板技術(shù)已經(jīng)在毫米波系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用?；诖斯裁嫖鬏敿夹g(shù)的微帶-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)計，尤其在60 GHz 頻段，已經(jīng)成為一個重要的挑戰(zhàn)。

1 60 GHz 無線通信特點(diǎn)、標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用

60 GHz 頻段處于氧氣中的吸收峰，在水平面內(nèi)，由于氧氣吸收帶來的衰減可達(dá)到16 dB/km，因此60 GHz 可以提供良好的空間隔離和安全傳輸?shù)臈l件。帶寬方面，60 GHz 有將近7 GHz 的可用帶寬，可以實(shí)現(xiàn)Gbit/s 超高速率的傳輸，并且可以實(shí)現(xiàn)多路的數(shù)據(jù)高速傳輸，且不會對其它通信系統(tǒng)造成影響。

目前多個國家已經(jīng)對60 GHz 通信頻段進(jìn)行了劃分，如圖1所示。美國FCC 分配了59 GHz～64 GHz 免許可的連續(xù)頻段，允許最大發(fā)射功率為40 dBm;日本制定的60 GHz 頻段通信的頻率范圍為:59 GHz～66 GHz;而歐洲規(guī)定了59 GHz～62 GHz 頻段用于WLAN，62 GHz～63 GHz和65 GHz～66 GHz兩個頻率分配給移動寬帶系統(tǒng)。

圖1 60 GHz 通信頻譜分配圖

國際上正在制定和已經(jīng)制定的60 GHz 標(biāo)準(zhǔn)主要有3個，分別是歐洲計算機(jī)協(xié)會的ECMA-387(ISO/IEC13156-2009);松下、NEC、Sony 主導(dǎo)的IEEE 802.15.3c-2009和Intel、Dell、LG 等公司主導(dǎo)的IEEE802.11ad。從商業(yè)應(yīng)用情況而言，以提供無壓縮高清視頻傳輸為主要目標(biāo)的WirelessHD 聯(lián)盟采用了802.15.3c 標(biāo)準(zhǔn);面向消費(fèi)電子、計算機(jī)和手持設(shè)備無線高速接入應(yīng)用的WiGig 聯(lián)盟采用了802.11.ad 標(biāo)準(zhǔn)。

20世紀(jì)90年代開始，就有關(guān)于60 GHz 頻帶的微波單片集成電路(MMIC)和通信前端設(shè)計的相關(guān)報道［8-10］，至今仍然是研究的熱點(diǎn)。2002年IEEE國際固體電路會議(ISSCC 2002)上，NEC 公司報告了60 GHz 的射頻前端芯片，采用AlGaAs/InGaAs heterojunction FET(HJFET)工藝;2004年初Dr.Chinh Doan 在ISSCC 上發(fā)表題為“Design of CMOS for 60 GHz Application”的論文，宣布業(yè)界第一個CMOS 60 GHz 放大器的研制成功，并展示了仿真和芯片實(shí)測結(jié)果的良好吻合。2006年，Behzad Razavi發(fā)表了關(guān)于60 GHz 的CMOS 工藝的接收機(jī)射頻前端芯片;IBM 在2006年IEEE 國際固體電路會議(ISSCC 2006)中報導(dǎo)了關(guān)于采用0.13μm BiCMOS工藝制備60 GHz 頻段無線通信芯片組;2007年Si-Beam 推出了全球第一款基于CMOS 工藝的60 GHz無線傳輸商用芯片;2008年IBM 研究小組展出了基于鍺硅工藝全集成60 GHz 無線傳輸模塊;索尼在東京技術(shù)研究所的研究小組已經(jīng)開發(fā)出了基于CMOS工藝的60 GHz 無線通信芯片，數(shù)據(jù)傳輸速率為6.3 Gbit/s，并于在ISSCC 2012 上展出。

隨著硅基半導(dǎo)體工藝的不斷進(jìn)步，90 nm～45 nm 已經(jīng)成為主流的工藝，為60 GHz 超寬帶通信的芯片的解決帶來了新的機(jī)會，但CMOS 技術(shù)并非完美無缺，如較低的性能(電子遷移率較低、較高的噪聲、較低的增益以及非絕緣襯底)和較高的溫度靈敏度使CMOS 技術(shù)面臨不小的挑戰(zhàn)。Ⅲ～Ⅳ族化合物襯底MMIC 芯片較硅基60 GHz 芯片而言具有更好截止頻率和更大的功率水平，可以應(yīng)用于中大功率的應(yīng)用場合，如美國TRW 研制的60 GHz 的MMIC 輸出功率為300 mW。開展基于MMIC 芯片技術(shù)60 GHz 毫米波系統(tǒng)的研發(fā)，可以滿足有一定無線傳輸距離要求的通信系統(tǒng)，并提供點(diǎn)對點(diǎn)的快速大速率傳輸通道，同時具有較好的安全性。60 GHz通信技術(shù)在國防和民用應(yīng)急通信系統(tǒng)中有著良好的應(yīng)用前景，開展相關(guān)的研究具有重要的意義。

2 60GHz 微帶共面波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文分析了V 波段微帶-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換的特性，設(shè)計了一款結(jié)構(gòu)簡單的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了相應(yīng)的測試與集成驗(yàn)證。隨著毫米波信成電路的發(fā)展，許多應(yīng)用系統(tǒng)提出了與微波集成電路一體化的波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換需求。本文中集成前端采用喇叭天線作為信號傳輸?shù)牟考?，采用波?dǎo)接口，集成電路采用MCM 的集成工藝，需要將60 GHz 信號從平面微帶轉(zhuǎn)換為波導(dǎo)的形式。測量系統(tǒng)的接口形式為波導(dǎo)接口，本文將兩對波導(dǎo)-微帶，微帶-波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換接口相連，形成了波導(dǎo)-微帶-波導(dǎo)的對稱結(jié)構(gòu)，以方便測量的需要。

2.1 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)特性分析

微帶與波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換特性與波導(dǎo)同軸之間的轉(zhuǎn)換比較相似，也是將微帶插入波導(dǎo)之中形成激勵探針。微帶線在波導(dǎo)腔體中所激勵起的電磁波在波導(dǎo)中形成轉(zhuǎn)換，變成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的能量傳輸，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。可以看出，微帶線從波導(dǎo)的寬邊插入到腔體結(jié)構(gòu)中，同時在微帶探針的上方存在一個波導(dǎo)短路，形成微帶線到波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換方向在圖中下向。

圖2 微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換示意圖

由電磁理論可知，微帶線上傳輸模式為準(zhǔn)TEM模，當(dāng)其插入波導(dǎo)中時同樣激勵起波導(dǎo)模。矩形波導(dǎo)內(nèi)的主模為TE10模式，根據(jù)微帶與波導(dǎo)的模式電場分布的特點(diǎn)，當(dāng)微帶線作為探測從波導(dǎo)的寬邊中心插入，且置于波導(dǎo)場強(qiáng)最大處時兩者的偶合效率最高。

微帶探針終端開路，電流為零，同時微帶上電流可以假設(shè)為均勻的正弦駐波分布，則電流形式可以表示為:

其中d為微帶探針插入的深度，當(dāng)0 ＜y ＜d。對于TE10模，微帶底部的輸入阻抗可以表示為:

根據(jù)探測上的電流分布，可以求得微帶底部的輸入阻抗為:

同理，可得TE10?？偟妮斎腚娍?

波導(dǎo)短路面的距離取λ/4，使在波導(dǎo)內(nèi)形成駐波。對于寬邊為b，窄邊為a 的波導(dǎo)而言，其特性阻抗可能通過謝昆諾夫定義求出:其中a為波導(dǎo)窄邊的寬度，b為波導(dǎo)寬邊的寬度。

微帶探針與波導(dǎo)的耦合過渡具有電容特性，在微帶探針的設(shè)計過程中應(yīng)加入電抗特性以實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)50Ω 的阻抗匹配。微帶線到波導(dǎo)的過渡需要較好的傳輸損耗，要求較小的回波捐耗，波導(dǎo)阻抗與微帶線阻抗之間需要進(jìn)行匹配，本文中采用多支節(jié)阻抗變換器進(jìn)行阻抗的變換，具體參數(shù)見§2.2。

2.2 設(shè)計參數(shù)與測試

本文中探針采用特性阻抗為50Ω 的微帶線，基板材料為Rogers5880，厚度5 mil，介電常數(shù)2.18。對結(jié)構(gòu)中的多個參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，相關(guān)的數(shù)量如表1所示，PCB 板的加工工藝即可滿足精度的要求。本文對這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加工測試，如圖4所示，顯示了較好的駐波和傳輸特性。

圖3 微帶與矩形波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)示意圖

表1 V 波段微帶-矩形波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計參數(shù)單位:μm

圖4 V 波段微帶-WR-15 過渡結(jié)構(gòu)及測試結(jié)果

3 60 GHz 通信集成前端設(shè)計與應(yīng)用

3.1 集成前端實(shí)現(xiàn)方案

本方案采用直接變頻技術(shù)方案，下圖為方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。在發(fā)送端，由信源發(fā)出基帶信號，基帶信號(速率不小于1 Gbit/s)，通過混頻器調(diào)制到中頻(＜5 GHz)，然后上變頻到60 GHz，經(jīng)60 GHz 驅(qū)動放大器和天線發(fā)射;在接收端，天線接收到60 GHz 信號，經(jīng)低噪聲放大器放大后，輸入到60 GHz混頻器，下變頻到中頻信號，然后解調(diào)出基帶信號。其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 通信系統(tǒng)前端實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖

集成前端中所用的60 GHz 及相應(yīng)的毫米波芯片均是基于中科院上海微系統(tǒng)所的前期開發(fā)的MMIC 芯片，主要芯片參數(shù)如下所示:

①混頻器:本振:30 GHz;射頻輸入:55 GHz～65 GHz;中頻輸出:零中頻;變頻損耗12 dB;輸入駐波:＜2.5;輸出駐波:＜2.5;LO 到IF 隔離度:20 dB;LO到RF 隔離度:20 dB。

②60 GHz 低噪聲放大器:帶寬:55 GHz～65 GHz;帶內(nèi)增益＞15 dB;輸入輸出駐波＜2;噪聲系數(shù)＜3.5 dB。

③60 GHz 驅(qū)動放大器:帶寬:55 GHz～65 GHz;帶內(nèi)增益＞10 dB;輸入輸出駐波＜2.5;輸出功率(P-1 dB 壓縮):＞10 dBm。

在前端集成過程中會存在信號在傳輸損耗、微帶電路與天線之間的轉(zhuǎn)換效率及天線輻射效率等，總計為3 dB，則天線發(fā)射的最終功率可以計算為:

其中:PS/G為信號源的輸出功率，15 dBm;

Gmixet是混頻器的變頻損耗，12 dB;

Gdiver是功率放大器的增益，15 dB;

GLoss是總體的傳輸損耗，4 dB;

在不考慮鏡頻噪聲影響的條件下，根據(jù)n 級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)公式可以得到接收機(jī)的噪聲系數(shù)可以表示為:

當(dāng)?shù)谝患壴鲆孑^大時，主要的噪聲體現(xiàn)在第一級與第二級的噪聲水平，本文集成前端第一級對接收到的信號首先進(jìn)行放大，放大倍數(shù)為:14 dB，噪聲系數(shù)為3.5 dB。

3.2 前端集成與測試

本文中，前端集成基于Rogers5880 基板，厚度為5 mil，具有較好的高頻特性。集成系統(tǒng)中包括了電源供電模塊，功分器設(shè)計、濾波器、共面波導(dǎo)傳輸線等無源電路設(shè)計。采用了MCM 的微細(xì)加工技術(shù)，完成多芯片組裝的集成工藝，包括:芯片貼裝和倒裝焊接，信號傳輸?shù)慕鹁€鍵合等。集成前端與喇叭天線相配合，組成一個收發(fā)終端，最終集成與測試如圖6、圖7所示。

圖6 60 GHz 通信收、發(fā)模塊測試和調(diào)試

圖7 60 GHz 通信射頻前端收發(fā)組件測試圖

60 GHz 通信射頻發(fā)射端中頻采用1 GHz 的QPSK 信號進(jìn)行調(diào)制，接收端中頻輸出采用高速示波器進(jìn)行采樣分析，測試結(jié)果如圖8所示，可以清楚的看到接收QPSK 信號的星座圖。

圖8 60 GHz 通信射頻前端收發(fā)系統(tǒng)測試QPSK 信號星座圖

綜上所示，通過對60 GHz 通信射頻前端收發(fā)系統(tǒng)測試，結(jié)果表明60 GHz 芯片、模塊以及天線能正常工作，60 GHz T/R 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了發(fā)射和接收功能。

4 結(jié)束語

本文對60 GHz 通信集成前端中的微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，實(shí)測結(jié)果顯示轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)具有較好的傳輸特性，在57 GHz～64 GHz 通信頻段內(nèi)，傳輸損耗小于1 dB，同時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于集成。并在MMIC 芯片的基礎(chǔ)上進(jìn)行了電路設(shè)計，利于60 GHz 喇叭天線完成了60 GHz 原理樣機(jī)的集成。實(shí)測結(jié)果表明集成前端工作正常，并具備了QPSK 體制下的高速無線通信能力。

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