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射频集成电路中片上电感的研究以及威尔金森功率分配器的研究

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第1章引言

1.1概述

1.2射频/微波集成电路

1.2.1微波集成电路

1.2.2 CMOS硅基集成电路

1.3电感的市场需求与技术背景

1.3.1电感在射频集成电路中的作用

1.3.2集成电感

1.3.3片上电感研究的现状

1.3.4片上电感研究存在的问题

1.4 Wilkinson功率分配器

1.5选题背景

1.6论文的研究内容和结构

第2章功率分配器

2.1功率分配器和耦合器

2.1.1兰格(Lange)耦合器

2.1.2 90度支线耦合器

2.1.3 Wilkinson功率分配器

2.2集总参数Wilkinson功率分配器

2.1.1 LC网络等效四分之一波长传输线

2.2.2 Wilkinson功率分配器结构和仿真分析

2.3输出三端口Wilkinson功率分配器

2.4不等分Wilkinsorn功率分配器

2.5含有移相网络的功率分配器

2.5.1集总参数无源移相网络的Wilkinson功率分配器

2.5.2 90度Wilkinson功率分配器

2.5.3 180度Wilkinson功率分配器

2.6实践设计与分析

2.7本章小节

第3章片上电感的物理模型与特性分析

3.1串联电感

3.1.1自感

3.1.2互感

3.1.3电感值的计算

3.1.4电感值与面积成本

3.2片上电感

3.2.1平面螺旋电感

3.2.2物理模型

3.3寄生与损耗

3.3.1串联电阻分析

3.3.2衬底电容耦合损耗

3.3.3衬底的磁能损耗

3.3.4衬底与邻近电路或元件的损耗

3.3.5衬底的温度效应

3.4品质因素与自谐振频率

3.4.1数学分析

3.4.2电感性能随频率变化的规律

3.5正方形平面螺旋电感的计算

3.5.1合成渐近技术的公式推导过程

3.5.2一层介质上正方形螺旋电感的公式

第4章平面螺旋电感的性能优化分析

4.1电感损耗的主要原因

4.2提高电感性能的方案

4.3一层介质正方形平面螺旋电感的参数与Q值的关系

4.3.1衬底介电常数与Q值的关系

4.3.2电感圈数与Q值的关系

4.3.3金属线宽与Q值的关系

4.3.4金属线厚度与Q值的关系

4.3.5金属线间距与Q值的关系

4.4改进的降低电感衬底损耗的方法

第5章Wilkinson功率分配器的设计与仿真

5.1平面螺旋电感的版图设计

5.1.1电感的物理模型设计

5.2.2电感的版图级电磁仿真和分析

5.2集总参数实现的Wilkinson功率分配器建模仿真

5.3集总参数实现的一分四功率分配器建模仿真

5.4改进的一分四功率分配器

第6章基于有源电感的功率分配器的研究

6.1有源电感的基本结构与工作原理

6.2基于有源电感的功率分配器设计

6.2.1基本原理

6.2.2电路设计与仿真

6.2.3结论

第7章结论与展望

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果

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摘要

近年来无线通信的迅猛发展,对设备的集成度和性能要求越来越高。硅基片上集成电感满足了低损耗,高集成的要求。功率分配器,这样一种无源器件,尺寸和性能直接影响着整个系统的工作质量。Wilkinson(威尔金森)功率分配器早在20世纪60年代就被提出,本文从理论和实验两方面结合现代硅基工艺,以及正方形平面螺旋电感设计的基础上,找到性能的成因和改进的突破口,提出和讨论了如何改进Wilkinson功率分配器性能的具体方法。 本文首先介绍了功率分配器的技术背景和研究近况,以及几种基本结构,并提出采用集总参数实现功率分配器,以符合小型化的要求,并对其进行仿真分析。片上平面螺旋电感是影响此种小型化功率分配器性功能的关键的因素,因此成为研究的热点。接下来对平面螺旋电感进行了数学和结构分析,得到各种参数和性能的关系。在此基础上,设计了一分四功率功率分配器。为进一步提高功率分配器的性能,需降低电感的衬底损耗,因此提出增加隔离层的方法来提高电感的品质因素。将此方法应用在功率分配器上,通过仿真分析发现性能得到了一定的改善。 最后,本文介绍了MOSFET实现的有源电感,采用有源电感实现的功率分配器设计尺寸进一步缩少,品质因素也有了一定的提高。

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