《硅基毫米波集成电路与系统》从硅基毫米波集成电路与系统的发展趋势及应用特点出发，设计了“基本概念、设计工具、关键器件、关键模块、芯片系统”五个重要的知识教学群，并融入华大九天国产化自主电子设计自动化（EDA）工具，实现了国产化工具设计方法从理论到实例的内容覆盖，提升读者对国产化工具的学习和使用能力。《硅基毫米波集成电路与系统》共11章，主要介绍毫米波技术、电路设计基本概念、EDA软件仿真教程、无源集成器件、低噪声放大器、功率放大器、频率合成器、混频器和倍频器、衰减器和移相器、采用华大九天国产EDA工具的射频/微波集成电路设计案例、接收机系统架构及设计实例等内容。

目录
第1章 毫米波技术概述 1
1.1 毫米波技术发展路径 1
1.1.1 初期研究 1
1.1.2 通信应用的探索 2
1.1.3 技术突破和标准化 3
1.1.4 商业化应用和推广 3
1.1.5 6G研发与国家战略布局 4
1.2 毫米波技术复杂性分析 4
1.2.1 在天线设计和阵列方面的复杂性 4
1.2.2 在射频信号传播和衰减方面的复杂性 5
1.2.3 在系统级集成和封装方面的复杂性 6
1.2.4 在非理想条件和环境影响方面的复杂性 7
1.3 毫米波硅基工艺 8
1.3.1 毫米波硅基工艺概述 8
1.3.2 硅基工艺历史发展 9
1.3.3 CMOS工艺 10
1.3.4 SiGe工艺 10
1.4 设计瓶颈 11
1.4.1 材料限制 11
1.4.2 器件限制 12
1.4.3 器件建模困难 12
1.4.4 电路设计挑战 13
1.4.5 电磁仿真挑战 13
参考文献 14
第2章 电路设计的基本概念 15
2.1 非线性影响 15
2.1.1 谐波失真 15
2.1.2 增益压缩 16
2.1.3 互调 20
2.1.4 交调 20
2.1.5 毫米波器件非线性模型及分析方法 25
2.1.6 级联系统的非线性 27
2.2 噪声 28
2.2.1 噪声的随机性 28
2.2.2 噪声功率谱 30
2.2.3 系统的传递函数对噪声PSD的影响 31
2.2.4 器件的噪声 31
2.2.5 电路中噪声的表示 36
2.3 无源阻抗匹配 39
2.3.1 阻抗概念 40
2.3.2 阻抗匹配的重要性 40
2.3.3 毫米波电路常用的阻抗匹配技术 41
2.4 本章小结 45
参考文献 46
第3章 EDA软件仿真教程 47
3.1 Cadence基础仿真教程及实例 47
3.1.1 直流仿真 47
3.1.2 S参数仿真 50
3.2 HFSS仿真 52
3.2.1 HFSS模型的建立：建立金属GND 52
3.2.2 版图文件的导入 55
3.2.3 SNP文件的导出 57
3.3 仿真实例：变压器 59
3.3.1 变压器模型的建立 59
3.3.2 端口的设置 60
3.3.3 感值、耦合系数、Q值的计算 61
3.3.4 联合仿真实例：阻抗匹配 61
3.4 华大九天仿真教程 63
3.4.1 华大九天基础仿真 63
3.4.2 华大九天S参数仿真 67
3.5 本章小结 69
参考文献 69
第4章 无源集成器件 70
4.1 电感 70
4.1.1 基本结构 70
4.1.2 寄生电容 75
4.1.3 损耗机制 76
4.1.4 电感模型 77
4.2 变压器 79
4.2.1 性能指标 79
4.2.2 基本结构 82
4.2.3 变压器模型 83
4.3 传输线 84
4.3.1 传输线的电路模型 84
4.3.2 传输线的特性 86
4.3.3 无损耗传输线 86
4.3.4 有损耗传输线 88
4.3.5 传输线的阻抗匹配 89
4.4 电容 90
4.4.1 MIM电容 91
4.4.2 MOM电容 92
4.5 实际设计案例 93
4.5.1 变压器和电感 93
4.5.2 传输线 96
4.6 本章小结 98
参考文献 98
第5章 低噪声放大器 99
5.1 低噪声放大器的设计指标 99
5.1.1 噪声系数 100
5.1.2 增益与带宽 100
5.1.3 线性度 101
5.1.4 功耗 102
5.2 低噪声放大器拓扑 102
5.2.1 电感退化结构LNA 102
5.2.2 跨导增强和“噪声抵消”结构LNA 104
5.2.3 LNA的零极点调谐技术 106
5.2.4 电流复用LNA 107
5.3 *优噪声工作点分析 108
5.3.1 输入匹配与噪声匹配 108
5.3.2 有源器件匹配 108
5.3.3 无源器件匹配 110
5.4 噪声分析和噪声抵消方法 110
5.4.1 噪声分析方法 111
5.4.2 噪声抵消方法 113
5.4.3 差分输出噪声抵消结构 114
5.5 实际设计案例 115
5.6 本章小结 116
参考文献 116
第6章 功率放大器 118
6.1 核心指标 118
6.1.1 输出功率 118
6.1.2 功率增益 118
6.1.3 效率 119
6.1.4 线性度 119
6.2 功率放大器拓扑 120
6.2.1 A类功率放大器 120
6.2.2 B类功率放大器 121
6.2.3 C类功率放大器 121
6.2.4 AB类功率放大器 122
6.3 *优输出功率工作点分析 122
6.4 输出/功率匹配与功率合成 123
6.4.1 零相位传输线功率合成技术 124
6.4.2 Wilkinson功率合成技术 124
6.4.3 基于变压器的功率合成技术 126
6.4.4 基于正交耦合器的功率合成技术 129
6.5 负载调制技术 130
6.5.1 有源负载调制原理与Doherty架构 130
6.5.2 Doherty架构在毫米波功率放大器中的应用 134
6.6 实际设计案例 137
6.7 本章小结 139
参考文献 139
第7章 频率合成器 140
7.1 频率合成器类型 140
7.1.1 查表合成器 140
7.1.2 直接合成器 141
7.1.3 锁相环合成器 141
7.1.4 直接数字频率合成器 142
7.2 锁相环 143
7.2.1 工作原理 143
7.2.2 基本指标 144
7.2.3 基本结构与分类 146
7.2.4 模块分析 150
7.3 振荡器 152
7.3.1 基本工作原理 152
7.3.2 压控振荡器的相关指标 154
7.4 分频器 156
7.4.1 双模分频器和多模分频器 156
7.4.2 预分频器 157
7.4.3 分频器电路实现 158
7.5 本章小结 159
参考文献 159
第8章 混频器和倍频器 161
8.1 混频器电路拓扑 161
8.1.1 基础与重要指标 161
8.1.2 拓扑与分类 163
8.2 混频器设计案例 168
8.2.1 基于二次谐波注入技术的28GHz上混频器设计 168
8.2.2 D波段增益增强的电流注入型下混频器设计 169
8.3 倍频器 170
8.3.1 分类 170
8.3.2 基本工作原理 171
8.3.3 性能指标 172
8.3.4 基于场效应管的倍频原理 173
8.4 倍频器设计案例 176
8.4.1 66GHz四倍频器设计 176
8.4.2 230GHz四倍频器设计 176
8.5 本章小结 178
参考文献 178
第9章 衰减器和移相器 180
9.1 衰减器电路拓扑 180
9.1.1 衰减器技术指标 180
9.1.2 衰减器常见电路结构及原理 182
9.2 衰减器设计案例 186
9.2.1 28～40GHz低幅度与相位误差衰减器 187
9.2.2 分布式衰减器 188
9.3 移相器电路拓扑 189
9.3.1 反射型移相器 190
9.3.2 开关型移相器 194
9.3.3 矢量合成型移相器 198
9.4 移相器设计案例 201
9.5 本章小结 202
参考文献 202
第10章 采用华大九天国产EDA工具的射频/微波集成电路设计案例 204
10.1 放大器S参数分析及稳定性设计 204
10.1.1 晶体管S参数分析对比 204
10.1.2 放大器稳定性分析 209
10.1.3 基于Smith圆图工具进行匹配电路设计 212
10.1.4 基于原理图创建电路symbol 215
10.2 放大器非线性与动态特性仿真分析 217
10.2.1 谐波平衡仿真分析 217
10.2.2 功率扫描仿真分析 221
10.2.3 双音仿真分析 223
10.2.4 负载牵引仿真分析 226
10.3 基于CMOS工艺的环形振荡器仿真 230
10.3.1 基于AetherMW平台创建环形振荡器电路 230
10.3.2 环形振荡器的基础仿真 233
10.3.3 环形振荡器的关键指标仿真 237
10.4 本章小结 241
参考文献 241
第11章 接收机系统架构及设计实例 242
11.1 超外差架构接收机 242
11.1.1 基本结构和工作原理 242
11.1.2 设计实例 245
11.2 零中频架构接收机 257
11.2.1 基本结构和工作原理 257
11.2.2 设计实例 259
参考文献 262

第1章 毫米波技术概述
　　1.1 毫米波技术发展路径
　　毫米波技术是指在30～300GHz的毫米波频段内，开展通信、雷达及其他无线应用的技术。由于具有高带宽、大容量和高速率传输等显著优势，毫米波技术已广泛应用于5G通信、汽车雷达、无线电天文学等多个领域，如图1-1所示[1]。
　　图1-1 毫米波技术应用
　　面对通信容量、速率和时延等严苛的指标要求，5G移动通信亟待解决频谱资源稀缺的问题。目前，Sub-6GHz微波频段的资源已消耗殆尽，难以提供足够的带宽以支持大容量和高速率的通信传输，而30～300GHz的毫米波频段则具有丰富的空闲频谱，开发该频段成为缓解频谱紧张的有效途径。
　　以下是毫米波技术的发展路径。
　　1.1.1 初期研究
　　在毫米波技术的初期阶段（1960—1980年），研究主要集中在对毫米波频段的理解和基础理论的探索上。科学家们开始研究毫米波的特性、传输损耗、天线设计等基础问题，并进行了一些实验验证。第二次世界大战期间，射频和微波系统被证明对通信和雷达具有重要意义，推动了该领域的深入研究，并取得了诸多突破。战后，军事和民用领域都采用了新型通信系统和传感器设备，导致10～20GHz的频谱资源逐渐紧张，限制了新技术的发展。
　　其实，人们早已开始探索使用30GHz以上频率的可能性，因为这一频段具有更宽的可用带宽。然而，30GHz频率的应用受到多种因素的制约，如大气中的水蒸气和氧气对电磁波的吸收作用，显著加剧了大气衰减，导致毫米波的探测距离大幅缩短，图1-2为电磁波在大气中的衰减示意图。因此，毫米波*初应用于短程雷达、飞机地面测绘、港口船只引导（特别是雾天安全保障）以及室内通信等领域。对于长距离、大容量的干线通信，有学者提出了一种过模且损耗极低的TE01波导系统[2]，为了克服波导内的大气衰减，内部需要填充非极性气体，以减少与电磁波的相互作用。
　　图1-2 电磁波大气衰减
　　然而，毫米波技术的广泛应用在当时面临诸多挑战。由于缺乏低成本、大规模生产的设备与技术，毫米波系统的普及受到了限制。因此，急需开发相关技术以支撑毫米波雷达的产业化。
　　1.1.2 通信应用的探索
　　在这一阶段（1980—1990年），毫米波技术开始应用于通信领域。研究人员探索利用毫米波频段进行数据传输和无线通信，鉴于其高带宽特性，毫米波被视作应对日益增长的数据传输需求的潜在解决方案。
　　1990年后，毫米波系统在商业领域取得初步成功。在通信领域，随着手机市场的迅猛发展，底层基础设施急需扩容。连接基站的线路和城市地区电缆替代的点对点链路成为58GHz等更高频率系统的理想应用场景。在汽车领域，自1970年以来开展的车载雷达研究为梅赛德斯于1999年推出**款商用汽车雷达奠定了基础。随后，其他汽车公司和供应商纷纷跟进。初代汽车雷达系统部分以耿氏效应振荡器（Gunn effect oscillator）作为发射源，并使用肖特基二极管作为接收端的关键元件。如今，采用更先进技术的第二代和第三代雷达系统已投放市场。随着技术的不断进步，系统在可靠性、准确性和探测视野等方面得到了显著提升。现代汽车雷达系统的探测精度已达到厘米级，能够精准检测车辆周边的障碍物并及时预警，有效增强了车辆和驾驶员的安全性。
　　1.1.3 技术突破和标准化
　　在这一阶段（2000—2010年），毫米波技术取得了若干重要技术突破，并逐渐成为下一代无线通信系统（如5G）的关键技术之一。研究人员提出了多种毫米波通信系统的架构和算法，并开展了标准化工作，以确保不同设备之间的互操作性。随着数据传输速率的持续攀升，4K视频已广泛普及，数十吉字节（GB）大小的4K视频文件已十分常见。凭借更宽的有效带宽，毫米波通信能够轻松实现1Gbit/s以上的高速率数字信号传输，在高清视频传输领域展现出显著优势[1]。
　　2006年，由LG、松下、日本电气（NEC）、三星电子、索尼和东芝等公司共同成立的WirelessHD联盟，开发了一种可以替代高清多媒体接口（high definition multimedia interface，HDMI）的无线数字高清传输技术，并于2008年提出了WirelessHD技术标准，利用毫米波通信实现高速率的视频传输。2007年，英特尔、博通（Broadcom）、创锐讯（Atheros）、微软等15家公司组成的WiGig联盟开始着手设计毫米波通信技术。2009年，WiGig联盟参与提出的IEEE 802.11ad标准问世。该标准主要用于实现家庭内部无线高清音视频信号传输，为家庭多媒体应用提供更完备的高清视频解决方案。IEEE 802.11ad将60GHz频段划分为四个信道，采用正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）技术，利用不同调制技术支持高达 7Gbit/s 的数据传输速率，比802.11n快十倍以上。在实际家庭网络环境中，基于IEEE 802.11ad标准的设备在近距离传输高清视频时加载迅速、画面流畅、音视频同步效果良好。然而，随着传输距离增加或者环境中遮挡物增多，信号强度有所下降，传输速率也相应降低[3]。
　　1.1.4 商业化应用和推广
　　在这一阶段（2010—2020年），随着5G技术的推广和商用，毫米波技术在多个行业得到了广泛应用。在通信领域，毫米波提供的高频段频谱资源突破了传统频谱的瓶颈，支持超高速率的数据传输，成为5G网络建设的关键技术之一。毫米波频段使5G能够实现更宽的带宽、更低的延迟，满足高清视频、虚拟现实、云游戏等数据密集型应用的需求，推动了智能手机、物联网设备等终端的高速发展。在汽车行业，毫米波雷达已成为先进驾驶辅助系统（advanced driver assistance system，ADAS）和自动驾驶技术的核心组成部分。这些系统依赖毫米波雷达的高精度探测能力，能够实现车辆周围障碍物的实时检测和距离测量，有效提升驾驶安全性。
　　此外，毫米波技术在无线电天文学、安防监控等领域也开始得到应用。例如，毫米波雷达广泛用于工业探伤和目标监测等任务。随着技术逐渐成熟，毫米波不仅在通信领域成为不可或缺的基础技术，还在多个新兴领域展现了巨大潜力。
　　1.1.5 6G研发与国家战略布局
　　2020年以后，随着5G的逐步普及与商用化，全球范围内的通信技术研究逐渐进入“6G”时代的探索阶段。6G网络预计将提供更高的传输速率、极低的时延和更大的网络容量，毫米波将在其中继续发挥重要作用。6G不仅在速度和容量上超越5G，还将进一步推动新型应用，如全息通信、增强现实（augmented reality，AR）/虚拟现实（virtual reality，VR）、智能交通系统、无人驾驶、远程医疗、工业自动化等领域全面发展，而毫米波技术依然是关键支撑技术之一。
　　在国家层面，中国在“十四五”规划中明确提出了前瞻布局6G网络技术储备，并推动5G向6G演进。中国将重点加强毫米波通信芯片和设备的自主研发，提升产业链的竞争力。同时，频谱管理和毫米波通信标准的制定也是未来重点任务。“十四五”期间，中国将在毫米波技术的研发上加大投入，推动毫米波设备的国产化，保障国家在全球通信技术竞争中的话语权。进入“十五五”，随着6G研发的推进，毫米波技术的应用场景将进一步扩展，涵盖智慧城市、无人驾驶、工业自动化等多个领域，为未来经济发展提供坚实的技术支撑。
　　此外，随着国际竞争加剧，全球主要国家和企业都在积极布局6G技术，毫米波将成为全球通信技术竞赛的关键战场。中国将通过加强国际合作与标准化工作，争取在全球毫米波技术和6G领域占据领先地位。
　　1.2 毫米波技术复杂性分析
　　作为射频技术的一种，毫米波技术具有较高的工作频率，因此其具有诸多特殊的复杂性，主要表现在以下四个方面：①天线设计和阵列；②射频信号传播和衰减；③系统级集成和封装；④非理想条件和环境影响。
　　1.2.1 在天线设计和阵列方面的复杂性
　　1.天线尺寸和辐射模式设计
　　毫米波频段的波长较短，天线元件的尺寸相对较小，这要求更高精度的制造和组装技术。常见的天线设计包括微带天线、槽天线和喇叭天线等，它们在尺寸和形状上都有着严格的限制，任何微小的偏差都可能导致性能下降。此外，尽管天线尺寸小，但仍需实现较大的方向性和增益，以满足信号覆盖和传输距离的要求。因此，辐射模式设计变得更加复杂，需要通过精确的电磁仿真和优化算法来实现。
　　2.阵列天线设计和校准
　　在毫米波频段，天线阵列可提供更高的增益和方向性。然而，相比单一天线，阵列天线的设计和校准更加复杂。阵列中的各辐射元件之间需要具有相同的辐射特性，以保证相位和幅度的一致性。在设计时，需要考虑阵元间的间隔、辐射元件的数目和几何形状等因素，以实现期望的方向性和覆盖特性。此外，在阵列中，为确保稳定的相位差和频率，每个辐射元件通常都需要与合适的信号源（比如振荡器）相连，从而优化阵列天线性能。因此，精确的相控网络与自动校准技术成为提高系统可靠性和性能的关键。
　　3.天线阵列的信号处理和波束赋形
　　毫米波天线阵列通过波束赋形技术实现指向性的辐射和信号增益。波束赋形技术通过控制阵列天线中每个辐射元件的相位和幅度，使得主瓣能量集中在特定方向上。然而，在实际应用中，波束赋形技术面临着多重挑战。*先，需要解决阵列天线中的互耦问题，即不同辐射元件之间的相互影响。其次，波束赋形技术需要具有实时性和动态性，以适应快速变化的通信环境。*后，波束赋形的算法和实现需要考虑功耗和资源占用等方面，以保证系统的效率和可行性。
　　4.天线集成和封装
　　天线设计不局限于单一的天线元件或阵列，还应考虑天线与其他电路及封装的集成。在集成和封装过程中，需要解决天线之间相互干扰、互连损耗和尺寸约束等问题。尤其是在毫米波频段中，由于高频信号的特殊性，传输线路和封装材料的选择尤为关键。因此，天线集成和封装需要综合考虑高频特性、电磁屏蔽、散热和机械强度等因素，以确保高性能和高可靠性。
　　综上所述，毫米波技术在天线设计和阵列方面的复杂性主要体现在天线尺寸和辐射模式设计、阵列天线设计和校准、信号处理和波束赋形、天线集成和封装等方面。要应对这些挑战，需要先进的设计工具、优化算法和制造技术，从而实现高性能、高可靠性且具有成本效益的毫米波天线系统。
　　1.2.2 在射频信号传播和衰减方面的复杂性
　　1.自由空间路径损耗
　　毫米波信号的频率极高，波长极短，因此在传播过程中会遭遇较大的自由空间路径损耗。自由空间路径损耗是指随着信号传播距离的增加，能量扩散和辐射导致信号功率逐渐衰减的现象。毫米波信号的自由空间路径损耗与传输距离的平方成正比，这使得其传输距离相对较短。为解决这一问题，通常需要采用高增益天线、信号转发和中继等技术来扩大传输范围。
　　2.大气吸收
　　毫米波频段的电磁波长极短，它们与大气分子的相互作用显著增强，导致大气吸收对信号传播产生较大影响。水蒸气和氧气是大气中主要的吸收因素，它们对不同频率的毫米波信号有不同的吸收特性。特别是在雨天或高湿度环境下，信号的传播距离会显著缩短。因此，在毫米波通信系统中需要充分考虑大气吸收对信号功率的影响，并采取相应的补偿和增强措施以确保信号质量。
　　3.衍射
　　毫米波信号的波长极短，当其遇到大型建筑物、山脉、树木等障碍物时，会产生明显的衍射现象。衍射会使信号传播方向发生弯*，引起信号延迟和能量分散，进而影响通信系统的覆盖范围和信号质量。可以采用波束赋形和多输入多输出等技术来增强信号的直达路径，减小衍射路径对信号的影响。
　　4.多径效应
　　毫米波信号传播过程中容易发生多径效应，这是由于毫米波信号的波长相对较短，信号在反射、