使用65奈米互補式金氧半場效電晶體實現毫米波高功率輸出之功率放大器與多通道車用雷達系統

Millimeter-wave Power Amplifier with High Output Power and Multi-Channel Automotive Radar System Using 65-nm CMOS

蕭元鴻(Yuan-Hung Hsiao)

指導教授 ： 王暉

國立臺灣大學/電機資訊學院/電信工程學研究所/博士(2016年)

https://doi.org/10.6342/NTU201602929

摘要

由於低成本、高系統整合度的特性，使用互補式金氧半場效電晶體(CMOS)製程進行毫米波電路元件與系統設計已成為近年來無線應用發展的趨勢。然而，隨著CMOS製程的演進，低崩潰電壓，高被動元件損耗等特性也造成了在毫米波功率放大器以及系統電路上設計的瓶頸，並限制了先進CMOS製程在毫米波電路上的表現。在本論文中，將提出相對應的電路設計方法以及架構來克服使用CMOS製程設計毫米波電路所遇到的問題，並使用先進CMOS 65奈米製程實現具有V 頻段寬頻高功率輸出的功率放大器與W頻段多通道車用雷達收發機。

為了提高功率放大器的輸出功率，在CMOS製程裡由於受到崩潰電壓的限制，透過功率結合(power combining)來提高操作電流是一個直觀且有效的方式。然而隨著功率結合的次數增加，將會導致頻寬受限等設計上的挑戰。因此本論文提出了一個寬頻且具有阻抗轉換的輸出級功率結合器設計流程，來實現多個電晶體功率結合以提高輸出功率，並且根據所提出的方法，以65奈米CMOS實現了一個輸出級由32個電晶體功率結合所構成之V頻段功率放大器，其飽和輸出功率在64 GHz達到23.2 dBm，16.3 dB的小訊號增益，以及25.1 GHz的3-dB頻寬。

在車用雷達收發機的設計中，由於駕駛上的需要，透過角度辨識來確認偵測物的位置已成為車用雷達系統不可或缺的功能。為了達到角度辨識，必須使用多通道架構來實現收發機以便蒐集角度資訊。在本論文中使用65奈米CMOS實現了一個多通道整體晶片面積為3.5×3 mm2的W頻段之車用雷達收發機，其包含兩個發射機、六個接收機並整合注入鎖定式之六倍頻器以及本地振盪(LO)訊號之功率分配網路來產生毫米波調頻連續波(frequency modulated continuous wave, FMCW)信號給發射機以及接收機。每個發射機接可在75到82GHz達到大於11-dBm 之輸出功率，以及30-dB的接收機轉換增益。整個晶片的功率消耗為 1.43 W.
透過本論文所提出的設計方法，本論文設計的V頻段功率放大器相較於已發表之CMOS功率設計放大器，在這個頻段達到了世界上最大的輸出功率，並具有寬頻的特性。而透過所提出的系統架構，本論文提出的多通道車用雷達收發機，其特性表現並不亞於以矽鍺(silicon germanium, SiGe)製程實現的多通道車用雷達系統。同時也顯示了以CMOS實現多通道毫米波車用雷達的潛力。

關鍵字

互補式金氧半場效電晶體 ； 功率結合技術 ； V頻段功率放大器 ； 車用雷達收發機 ； 多通道系統架構

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無資料

並列關鍵字

CMOS ； power combining ； V-band power amplifier ； automotive radar transceiver ； multi-channel architecture

參考文獻

[2] J. Hasch, E. Topak, R. Schnabel, T. Zwick, R. Weigel, and C. Waldschmidt, “Millimeter-Wave technology for automotive radar sensors in the 77 GHz frequency band,” IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., vol. 60, no. 3, pp. 845-860, March 2012.

[3] A. Tang, and M.F. Chang, "Inter-modulated Regenerative Receivers Operating at 349 GHz and 495 GHz for THz imaging in 40nm and 65nm CMOS Technology" IEEE Transactions THz Science & Technology, vol. 3, no. 2, pp. 134-140, Feb. 2013.

[5] T. Mitomo, N. Ono, H. Hoshino, Y. Yoshihara, O. Watanabe, and I. Seto, “A 77 GHz 90 nm CMOS transceiver for FMCW radar applications,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 45, no. 4, pp. 928-937, April 2010.

[9] Y.-S. Jiang, J.-H. Tsai and H. Wang, "A W-Band medium power amplifier in 90 nm CMOS," in IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 18, no. 12, pp. 818-820, Dec. 2008.

[10] I. Aoki, S. D. Kee, D. B. Rutledge and A. Hajimiri, "Distributed active transformer-a new power-combining and impedance-transformation technique," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 50, no. 1, pp. 316-331, Jan 2002.