mmic ch sim 2009

February 2009 IEEE microwave magazine 99

用于毫米波范围的单片微波集成电路（MMIC）

Huei Wang, Kun-You Lin, Zuo-Min Tsai, Liang-Hung Lu, Hsin-Chia Lu, Chi-Hsueh Wang, Jeng-Han Tsai, Tian-Wei Huang, Yi-Cheng Lin

毫米波单片微波集成电路（MMIC）在军事和航天系统

中已经使用很多年了，并且，在过去的十年中，人们已

经开发了其商业化应用 - 例如，在通讯和车用雷达中的

应用。集成电路技术(IC)近来的发展使得即使是采用标

准体效应互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺，已经

可以将硅基 MMIC 的性能提高到 100GHz 以上，我们相

信这会对未来毫米波系统的发展产生重大影响，这主要

是由于低成本规模化生产具有迅速推进技术发展的潜力，

为了简化装配和降低成本，人们提出了系统封装的概念

（SIP）。虽然已经存在有关毫米波集成收发机的报道

[1]-[22]，但迄今为止还未在文献中发现有关将基带电路

直接集成在毫米波收发机芯片上的报道。现有的毫米波

单芯片收发机将发射/接收功能块集成进来，这就有可能

将功率放大器（PA），本振源(LO)和天线全部包含进来。

过去，大多数这样的毫米波发射 /接收 MMIC 是采用

_____________________________________________________ Huei Wang, Kun-You Lin, Zuo-Min Tsai, Liang-Hung Lu, Hsin-

Chia Lu, Chi-Hsueh Wang, Jeng-Han Tsai, Tian-Wei Huang, and Yi-Cheng Lin are with the Department of Electrical Engineering

and Graduate Institute of Communication Engineering, National Taiwan University, Taipei, Taiwan, ROC.

Huei Wang is an MIT-S Distinguished Microwave Lecturer ©PHOTODISC&EYEWIRE


IEEE microwave magazine February 2009 100

GaAs 技术来制作的[1]-[6]，[19]-[21]；然而，在过去的

两到三年中，人们已经报道了硅基（CMOS，硅锗异质

结双极性晶体管（SiGeHBT）或 BiCMOS）单芯片发射/接收 MMIC[7]-[8]，[22]。在这篇文章中，我们将要回顾

复合半导体和硅基毫米波 MMIC 技术，还要讨论微波片

上系统（SOC）未来的趋势。同样还将讨论有关毫米波

SOC 和 SIP 的问题。 SOC 意味着所有的电路，包括射频前置端，模拟，

混合信号和数字电路都集成在单个芯片之中，而 SIP 则

意味着系统的电路可以用不同的技术来实现，然后集成

进入到一个单独的封装之中。SIP 方案通常使得元件的

组合可以达到佳，从而使其在特定的系统中表现出

好的性能。图 1 介绍了毫米波系统中一个 SOC/SIP 实际制作的

构思。红色的圆圈内包含了可能用于 SOC 的单元构建块，

而蓝色圆圈中则包含了那些用于 SIP 的功能块。为了进

行高层次集成，人们希望 SOC 的圆圈越大越好。然而，

MMIC 的现有能力限制了 SOC 的范围。在这个图中，重

叠部分是射频（RF）收发机的组成部件，开关，中等功

率放大器，锁相环（PLL），还可能有天线。这些部分

同样也属于 SIP 圆圈之中，并且反映出在毫米波范围常

用的多芯片模块方式。目前，这些元件可在Ⅲ-Ⅴ复合

半导体（GaAs，InP 或 GaN）MMIC 技术中或者在硅基

（CMOS 或 SiGeHBT）射频集成电路（RFIC）技术中

实施。在一个真正的毫米波 SOC 中，好是包含这些射

频模块以及可能含有着数字，模拟或混合模式电路的基

带电路。因此，CMOS 技术是有潜力来实施 SOC 的，

因为有很多现成的设计知识产权，并且它具有在极大规

模生产时达到极低成本的潜力。然而，现有的硅基工艺不适合制造射频滤波器和高

功率放大器（与Ⅲ-Ⅴ技术相比），特别是在毫米波频

段上。虽然已有采用硅基技术来生产毫米波在片开关和

天线的报道，但它们的性能还是不如那些用 GaAs MMIC 技术制造的好[23]-[29]。例如，一个 90-nmCMOS开关表现出与 GaAs 高电子迁移率晶体管（HEMT）开

关不相上下的插入损耗和隔离度，但是由于 CMOS 器件

的击穿电压较低，它的线性度比较差[25]。因此，这些

射频部件被放在蓝圈中。这些圆圈的边界部分将会随着

制造技术和设计工艺的进步而有所改变。

集成收发机鉴于Ⅲ-Ⅴ技术（GaAs 或 InP）出色的射频特性[1]-[6]，[19]-[21]，大多数毫米波单芯片发射/接收 MMIC 已经采

用这种技术制造出来了。GaAs 技术有若干个优点，包

括无源器件损耗低，电子迁移率高，抗躁声性能好，和

高输出功率能力。但是这些技术与硅基毫米波 MMIC 相

比，通常都有芯片尺寸大这样一个缺点，这是由于其半

绝缘基片的厚度（一般是 100µm）以及在将基带电路进

行集成时所面临的极大挑战所带来的。硅基技术的迅速

发展，包括 CMOS 和 SiGe BiCMOS 技术，使得有可能

将收发机和基带电路进行集成。硅基技术具有将前置端

和基带模块相集成的潜力。此外，硅基 MMIC 工艺通常

可以提供多层之间的互连，所以可以用较小的线宽度和

线间距来实现所谓的薄膜微带线。另外，随着技术的进

步，硅生产工艺中晶体管的布局图已经得到了改善，变

得越来越紧凑。因此，硅基毫米波 MMIC 有利于生成非

常紧凑的布局。然而，在毫米波范围的电路性能却具有

相对较低的输出功率和较高躁声系数的缺点。我们随后

将要详细讨论这个问题。硅基毫米波集成电路收发机的设计问题单芯片收发机的趋势是在同一块芯片上放置更多的器件，

并且采用更高层次的集成，因此，硅基技术更具有吸引

力。然而，由于硅基片的高损耗性，在硅基 IC 上进行低损耗，无源器件的设计是很困难的。设

计上的第二个问题是来自于本振源或混合

模式电路的泄漏信号，特别是对于具有导

电性基片的硅基 IC 来说。在集成芯片设

计和布局时应当考虑泄漏的效应。幸运的

是，硅基 IC 的隔离可以通过大多数先进

的硅基 IC 工艺所提供的 n 井和隔离环来

得到改善[30]。天线同样可以被集成进入

前置端电路，但它的低辐射效率可能会是

一个需要关注的问题。后一个挑战是，

在毫米波频率范围内很难用 CMOS 技术

实现高输出功率，因此，在将天线和高输

出功率放大器进行集成时，应当考虑 SIP方案。

已报道的毫米波集成收发机

基于Ⅲ-Ⅴ技术的毫米波集成收发机早在 1991 年，就演示了一个全功能化的图 1 在毫米波模块中实际实施 SOC/SIP 的概念。


采用 GaAs PHEMT 技术(高电子迁移率晶体管)制作的

40GHz FM-CW 雷达集成收发机[1]。这个收发机芯片代

表着毫米波 MMIC 收发机的首次高层次集成，芯片尺寸

相当大(4.35mm×7mm)。随后，又报道了工作在 35，44，60，77 和 94GHz 的用于传感器，智能武器，卫星通信，

辐射计和其它应用的 GaAs 或 InP HEMT 集成收发机[2]-[5]。具有比传统赝晶 HEMP(mHEMT)性能更好的改性

HEMT（pHEMT）同样是很重要的基于 III-V 技术的

MMIC 器件。[19]，[20]还报道了采用 mHEMT 制成的

60 GHz 发射机和接收机芯片，以及一台 77-GHz 收发机

的 MMIC 芯片。还展示了 0.1-µm GaAs mHEMT 技术制

成的带有集成天线的 220-GHz 单芯片接收机。通过这些

工作可以很明显地看出在 GaAsHEMT 集成收发机中不

断增加复杂的电路功能和紧凑的芯片布局还是有可能的。为了进一步减小电路面积，人们已经建议使用

GaAs 来生成三维（3-D）MMIC[6]，[31]-[34]。一个典

型的例子是在 0.15-µmGaAs PHEMT 工艺中所实现的 60-GHz 全集成收发机 MMIC[6]。图 2 示出了这个技术（3-D）的截面图，它是由 2.5-µm 厚的聚酰亚胺薄膜，1-µm厚的金属层和 2-µm 厚的金属顶层等四层材料所组成的。

这个（3-D）互连技术有着若干优点，包括窄的线宽和

间距，无源器件的可堆叠性，以及无源器件和基片之间

好的隔离度[33]。值得注意的是这个技术与大多数先进

的用于 VLSI 互连的（CMOS/BiCMOS）硅基工艺的特

性相类似，在 VLSI 中是将多层介电层和放在体硅衬底

之上的金属层相组合的。发射和接收机芯片分别具有

1.7×1.7mm2 和 2.1×2.4 mm2 这样微小的尺寸，发射机具

有 10-dBm 的输出功率，和 33-dB 的转换增益，对于接

收机来说，在 57 到 60GHz 之间具有 6-dB 的躁声系数。

遗憾的是，这个技术从未被商业化的 GaAs 生产厂家来

实施，主要原因是市场需求量有限，因此，只是停留于

研究课题本身。

SiGe HBT 毫米波收发机

近来，已经展示了若干基于 SiGe HBT 和 BiC-MOS 技术

基础上的毫米波集成收发机[7]-[12]。演示了采用 0.13- µm SiGe BiCMOS 技术的基于超外差结构的

集成发射机和接收机芯片[7]。芯片的方框

图和照片示于图 3。接收机芯片和发射机芯

片的尺寸分别是 3.4×1.7 和 4×1.6 mm2。接

收机的转换增益为 38 到 40dB，躁声系数为

5 到 6.7 dB，而发射机的转换增益为 34 到

37 dB，饱和输出功率为 16 到 17dBm。 SiGe 技术已被证明可以用在较高频率的

应用之中，例如 77GHz 或更高频率。人们

已经演示了两个用于汽车雷达的 77-GHz SiGe 接收机芯片[8]，[9]。此外，还推出了

分别在 80 GHz 和 160 GHz 同时发射和接收

的双频段毫米波成像收发机[10]。所达到的

差分式下变频增益在 70 到 94GHz 及 150 到

170GHz 频段上分别为-20.5 dB 和-23.5 dB。

CMOS 毫米波收发机虽然 SiGe 技术在毫米波应用中显示出很好的射频性能，

但 CMOS 技术由于具有将基带电路集成进来的潜力，仍

然是吸引人的解决方案。这个事实推动了越来越多的

涉及 CMOS 射频电路设计的研究。在过去的三年中，人

们已经报道了大量的 CMOS 毫米波单芯片发射和接收机

[13]-[18]。已经报道了采用 0.13-µm CMOS 技术制作的

具有 11.8-dB 转换增益和 10.4-dB 躁声系数[13]的 60- GHz 接收机以及一个具有 23.5-dB 转换增益，10.5-dB 躁

声系数的差分式接收机[15]。文献[16]，[17]报道了基于 90-nm CMOS 技术的具有

躁声系数为 6.1dB 到 6.35dB，以及 5.7dB 到 8.8dB 的 60-GHz 接收机。一个 65-nm CMOS 接收机展示出 12.5dB的峰值增益，具有 21GHz（75 到 96GHz）的 3dB 带宽

[18]。已经展示了世界上首台采用 0.13-µm 体效应

CMOS 技术制作的 60-GHz 的千兆软件收发机[14]。该收

发机具有成本低，复杂性低，直流功耗低以及大带宽和

结构可重构性的特性。图 4 显示出了芯片尺寸为

1.65×1.5 mm2 的 60-GHz 六端口接收机芯片的方框图和

照片。这个接收机成功地演示了在 60-GHz 下采用 BPSK调制的具有 4-Gb/s 数据传输速率所进行的千兆传输。由

台湾国立大学所报道的 60-GHz CMOS 接收机是我们多

年开发研究 CMOS IC 的成果（更多信息请见“CMOS IC 的开发”。）。近来，已演示了采用 65-nm CMOS 技

术所制作的具有在片天线的 140- GHz 接收机[22]。

300-GHz 以上的 InP HEMT MMIC 值得一提的是新近 InP HEMT 的开发工作已经展示了高

于 300-GHz 的 MMIC 放大器。Northrop Grumman 空间

技术小组已经报道了采用 35- nm栅极 InP HEMT 技术所

制作的一个 340-GHz MMIC 放大器和一个 346-GHz 振荡

器[49]，[50]。首次证明了 MMIC 可能终可以工作在

毫米波以上的范围并且可以在亚毫米波频率中找到新的

应用。我们预计在高于 300-GHz 的 MMIC 中可以进行高

层次的集成，与 GaAs pHEMT MMIC 的发展状态相类似。图 2 三维（3-D）GaAs 技术的截面视图[33]。


功率放大器

图 3 一台 60-GHz 接收机/发射机的(a)方框图和(b)照片。

接收机芯片将一个镜像抑制低噪声放大器（LNA），一

个射频混频器，一个增益可变中频放大器，（IFVGA），

一个中频 IQ 混频器，以及一个基带放大器集成进入了

接收链路，以及用于 LO 链路的一个锁相环，一个三倍

频器，和一个分频器。发射机芯片包含一个中频 IQ 混频器，一个 IFVGA，一个射频混频器，一个镜像抑制预

驱动放大器，以及一个功率放大器，以及用于 LO 链路

的一个锁相环，一个三倍频器和一个分频器[7]。

基于Ⅲ-Ⅴ技术的毫米波 MMIC`功率放大器人们已经证明，可以用 GaAs 和 InP pHEMT 技术制作毫

米波 MMIC 高功率放大器。GaAs pHEMT 功率放大器的

一些实例有 34.5GHz 的 3-w 功率放大器[51]，42.5 到

43GHz 的 4-w 功率放大器[52]，62.5GHz 的 0.56- w 功率

放大器[53]，和 113GHz 的 0.2-w 功率放大器[54]。InP HEMT 技术同样已被用于实现 95GHz 的 0.4-w 放大器

[55]。对于极高功率的应用来说，人们正在研究宽带隙

材料和器件，例如 GaN 和 SiC MESFET 和 HEMT。虽

然在这些宽带隙技术中还存在着可靠性和可重复性的问

题，但近所报道的 27-GHz（2.5-w 输出功率）和 80.5-GHz（427-mw 输出功率）的 GaN HEMT 功率放大器还

是很鼓舞人心的[56]，[57]。 SiGe BiCMOS 毫米波 MMIC 功率放大器 SiGe HBT 是另一种可能的毫米波功率放大器设计的解

决方案。文献 [58] 介绍了一个采用 0.12-µm SiGe BiCMOS 工艺制成的输出功率为 17.5dBm，峰值功率附

加效率（PAE）为 13%的 77-GHz 功率放大器。对于 60-GHz 无线个人区域网络系统（WPAN）应用，文献[11]介绍了一个使用发射机的 60GHz 功率放大器。图 5 是

60GHz SiGe HBT 功率放大器的电路组件图。这个功率

放大器在 60GHz 所展示的输出功率为 15.8dBm，具有

16.8%的功率附加效率。为了克服硅基工艺中晶体管较低的击穿电压的限制，

有效功率合成结构已成为一个热门的设计课题。采用标

准低压硅基工艺的分布式有源转换器在低频下表现出良

好的功率合成性能。由于具有有效功率合成和高效率阻

抗变换的优点，分布式有源转换器可以用于毫米波功率

放大器中。例如，文献 [59]报道了一个在标准 130-nmSiGeBiCMOS 工艺技术中采用分布式有源转换器结构

的两级 60-GHz 功率放大器。图 6 是分布式有源转换器

的电路组件图。功率放大器可以向一个 100Ω 差分阻抗

输送 23 dBm 的功率，所具有的功率增益为 13dB，可以

达到 6.4%的功率附加效率，这是至今为止在 60GHz 频

率上的硅基 MMIC 技术中具有高输出功率的 MMIC功率放大器。 CMOS 毫米波 MMIC 功率放大器虽然我们已经展示了具有高增益性能的 CMOS 毫米波放

大器，但是由于其有限的击穿电压，输出功率仍然是设

计上的一个挑战。通常在输出级需要一个大的边缘场效

应管（FET）器件来实现一个高功率 MMIC 放大器。然

而，在毫米波范围内，大的寄生电容，特别是大尺寸

FET 的漏极-源极电容（Cds）会明显劣化增益，从而影

响输出功率性能。因此输出功率在高频下会受到限制。

在标准体效应 CMOS 中已经出现了 2.4GHz 频率上的瓦

级单芯片功率放大器 [60]，但是迄今为止所报道的

60GHz 上的 CMOS 功率放大器的高输出功率仅能达到

12dBm [61]，而另一个 77-GHz 的功率放大器仅具有 6.3-dBm的输出功率[62]。

集成电路技术(IC) 近的发展使得即

使是在标准体效应 CMOS 工艺中已经

可以将硅基 MMIC 的性能提高到

100GHz 以上。


平衡式放大器显示出具有有效的功率合成，平坦的

增益，良好的输入/输出回波损耗和在两个独立的放大器

之间良好的隔离度等优点。因此，平衡拓扑结构也常用

于功率放大器的设计之中。人们已经演示了一个采用

90-nmCMOS 技术，在 35 到 51GHz，采用薄膜微带宽边

耦合器的平衡式中等功率放大器，如图 7 所示[63]。这

个 CMOS 平衡放大器在 35 到 51GHz 之间可以达到

13.5±1dB 的平坦增益，具有很好的输入和输出回波损耗。

在经过耦合器的功率合成之后，平衡放大器在 44GHz 时所测得的饱和输出功率为 10.6dB，功率附加效率为 8%。

在 CMOS 技术中，同样可以实施分布式-有源-转换放大

器的方案。近，我们在 60 GHz（18-dBm）和 100GHz（12-dBm）取得了非常亮丽的结果[64]。

图 8 展示了发表的在 GaAs，或 InP HEMT，SiGe HBT 和 CMOS 中所实施的毫米波 MMIC 功率放大器的

饱和功率性能。近年关于 CMOS 功率放大器的报道，是

由于栅极宽度尺寸的下降，从而改善了高振荡频率

（fmax）的结果。 SiGe HBT 功率放大器的工作频率与

图 4 60-GHz CMOS 六端口收发机的（a）方框图和（b）芯片照片。发射机是由一个反射式 I/Q 调制器和一个缓

冲放大器组成的，而接收机是由一个低噪声放大器和一

个六端口解调器组成。一个在片 VCO 为发射机和接收

机提供了 LO 信号，一个 SPDT 开关被用来选择发射或

接收路径[14]。

CMOS 功率放大器的类似，但由于它的高电流密度，从

而具有更好的功率性能。另一方面，采用 HEMT 技术的

毫米波功率放大器可以在较高的频率下（直到 113 GHz）达到较高的输出功率[73]

还有关于对 GaAs pHEMT 毫米波功率放大器进行线

性化以改善其线性特性的报道[74]。虽然，对硅基功率

放大器所实施的线性化技术未曾在文献中出现，但是随

着在毫米波频段，如 60-GHzWPAN 的高速数据通信系

统的要求，在不远的将来，可以预期这方面的研究兴趣

会有所提高。信号源（振荡器和分频器）在现代化无线通信系统中，用以提供上变频和下变频的

本振源信号是一个不可或缺的构建模块。人们已经报道

了几乎可以达到 300 GHz 的在毫米波频段采用了各种各

样 MMIC 技术来构建的基频振荡器和推-推压控振荡器

[50]，[75]-[77]。我们可以在文献中找到采用Ⅲ-Ⅴ复合

技术而构建的工作在低频的高度集成化本振信号源链，

采用倍频器来提高输出频率以改善相位躁声性能。然而，

这种方案一般要求采用 HBT 晶体管来实现振荡器以获

得较好的躁声性能，以及采用 pHEMT 技术的倍频器和

缓冲放大器来实现高增益，例如，文献[78]中所描述的

94-GHz 频率信号源。因此，这种方案不能采用 SOC 技

术来实现。TRW 曾经提出采用基于 InP 的 HEMT-HBT集成技术来实现一个单芯片 94-GHz 频率信号源以克服

这些限制因素[79]。这个 MMIC 由一个 23.5- GHz 的 HBT VCO，一个 HBT 缓冲放大器和一个基于 HEMT 的

倍频器组成。它所展示出的输出频率从 90.8GHz 到 94.3

图 5 60-GHz SiGe HBT 功率放大器的电路图[11]。

在毫米波范围，大的寄生电容，特别

是大尺寸 FET 的漏极 -源极电容

（Cds）会明显劣化增益，从而影响

输出功率性能。


图 6 采用分布式有源转换器结构的 60-GHz 功率放大器的电路图[59]。

图 7 Q -波段 CMOS 平衡放大器的（a）电路图和（b）芯片照片[63]。


GHz，峰值输出功率为 1.6dBm。为了保证所需频率的稳定性，锁相环（PLL）通常

被用来构建信号源。人们已经报道了一个采用 GaAs HEMT 技术制作的 60.1 GHz V-波段锁相环，锁相范围

为 840-MHz [80] 。随着现代半导体技术的发展，采用

标准 CMOS 工艺来实现完全集成化的 PLL 已成为可行

的方法。图 9 是使用为广泛的 PLL 系统结构简化的方

框图，它包括相位/频率检测器，一个电荷泵，一个环路

滤波器，一个压控振荡器和分频器。由于是工作在 LO信号的高频率处，VCO 和第一个分频器被认为是ＰＬ

Ｌ设计中具有挑战性的构建模块。由于有源和无源器

件高频特性的限制，对于 CMOS 设计，要求采用专有的

新的电路拓扑结构和技术。并联的电感和电容谐振 VCO（LC 谐振）由于其简

单性而成为常用的拓扑结构来产生 LO 信号。在电路

拓扑结构中，引入电感电容来决定谐振频率，以及交叉

耦合对来补偿储能单元中的损耗[81]。在文献[82]中报道

了一个采用 0.13-µmCMOS 工艺所实现的 59-GHz 的

VCO 电路。一般来说，LC 谐振 VCO 的相位噪声极大地

受到谐振单元的品质因数（Q）的限制。为了消除这些

限制，有人建议采用一个改进的 Colpitts 拓扑结构来改

善其噪声性能[83]，一个 40-GHz VCO 的设计展示出在

偏离 1-MHz 处的相位噪声为-106.6dBc/Hz。对基于集总

式无源器件基础上的 VCO 设计，可能达到的高频率

一般受到 LC 谐振单元的谐振频率的限制。另外，随着

工作频率的提高，VCO 电路容易受到工艺条件的波动和

布局不匹配性的影响。通过采用分布式电路技术，波振荡器被看作是高频

CMOS VCO 潜在的替代技术。通过采用人工传

输线结构，人们已经报道了振荡频率可高达

40GHz 的采用标准 CMOS 工艺所制作的基于波

的各种 VCO[84]-[86]。在需要多个 LO 相位的情

况下，人们建议采用旋转行波振荡器和倍频器的

电路拓扑结构，这样，输出中便含有基频的半正

交相位和二阶谐波的正交相位[87]。另一种适合于特别高频率的电路拓扑结构

是推 -推压控振荡器。已经采用了深亚微米

CMOS 工艺制作出了输出频率可高达 192GHz 的

电路[38]，[82]。到目前为止，高基频振荡器

是采用 InP HEMT 技术来实现的（346GHz）[88]。另一方面，用 CMOS 实现的推-推式振荡器所展

示的高基频振荡为 205 GHz[89]。

图 10 展示了所发表的采用基于Ⅲ-Ⅴ技术，SiGe HBT 和 CMOS 技术所制作的毫米波 MMIC 振荡器的相

位噪声性能。CMOS 器件所具有的损耗衬底基片和闪烁

噪声制约了 CMOS VCO 的相位噪声性能。由于基片的

低损耗和高电子迁移率，采用基于Ⅲ-ⅤMMIC 技术的毫

米波 VCO 的相位噪声性能比 CMOS VCO 的要好大约

10dB。SiGe HBT 技术由于具有比 CMOS 技术更低的器

件闪烁噪声而更加有利。虽然基片损耗仍然限制了 SiGe HBT VCO 的相位噪声，但 SiGe HBT VCO 仍然表现出

可以与基于 III-V 的 MMIC VCO 相媲美的相位噪声性能。分频器是集成收发机中另一个重要的建造模块。分

频器可以分为三种类型：静态型，米勒（Miller）型，

和注入锁定型分频器。表 1 对所报道的毫米波分频器的

性能进行了比较。静态分频器是由带有反馈的 D-型触发

器组成的，它展示了出色的输入信号的频率范围。然而，

由于数字模块栅极延迟的限制，其高工作频率受到了

极大的制约。文献[100]中报道了采用 0.12-µm CMOS 工

艺所实现的 27- GHz 2：1 分频器。另一种方案，用 Miller 分频器通过选择性混频机理

来实现频分，已经演示了一个具有中等输入锁定范围的

40GHz 的设计[101]。总的来说，虽然输入锁定范围较窄，

但除 2 或除 3 注入锁定分频器是高频应用有前途的候

选者[102]-[105]。为了克服窄输入锁定范围这个问题，

Chien 在文献[86]中提出了一个改进的电路拓扑结构。通

过在电路设计中引入一个额外的谐振器，可以极大地增

加注入锁定分频器的锁定范围。人们已经报道了一个用

0.18µm CMOS 工艺所实现的具有出色的 10.6GHz 锁定

范围的 40-GHz 的设计 [86] 。对于高阶频分

国立台湾大学（NTU ）所进行的 CMOS IC 的开发

作为毫米波 CMOS RFIC 的先驱者之一，我们已经演示

了许多有意义的结果。从 2004 年采用 0.25-µm CMOS 制

成的 63-GHz 推-推压控振荡器（VCO）开始[35]，随后

是直流-到-70-GHz 放大器[36]，114-GHz 和 131-GHz 推-推 VCO[37]-[38] ，以及采用新型的环形耦合正交 MOSFET 的 90-GHz 基频 VCO[39]。同样还展示了宽带 BPSK 和 IQ 调制器[40]，若干颠覆了从 35GHz 到 108-

GHz 的高增益放大器[41]-[44]，宽带混频器[45]-[47]。此

外，还用 CMOS 技术开发了宽带开关。这些元件的成功

开发使得进行毫米波多功能 MMIC 的高层次集成成为可

能，例如一个含有嵌入 VCO 的 46-GHz 宽带直接调制振

幅相移键控(ASK)调制器和 60-GHz 六端口 CMOS 收发

机 [14] ，[48]。

图 8 毫米波功率放大器的饱和功率。


器（大于除以 4），文献[106]介绍了一个新的共节点匹

配技术，可在高频下有效地实现高的频分率。近来，人

们已经成功地演示了工作在毫米波频段的不同 CMOS PLL 的设计方案[107]，[108]。无源器件高基片损耗是在毫米波范围内用 SOC 技术来实现无源器

件的主要障碍。硅体的基片损耗比 GaAs 的损耗要高，

因此，用硅基 MMIC 工艺所制作的无源器件展示出较高

的损耗。对于硅基在片电感器来说，高频下的品质因数

由于在半导体基片中的能量耗散而被严重地劣化了[109]。有若干种技术可以来解决这种高基片损耗的问题。在文

献[110]，[111]中报道了用于电感器和传输线的屏蔽方法，

例如，pHEMT 图型式接地屏蔽和浮动屏蔽技术。同样可以使用微机电系统技术来降低硅基片的损耗。

人们已经报道了若干个微机电系统在毫米波电路设计中

的应用。含有基片蚀刻，空气桥，和金属喷涂的微机电

系统技术常用来改善频率低于 30GHz 的硅基电感器的品

质因数[112]-[114]。图 11（a）是采用基片蚀刻技术来去

除紧挨在金属层下的硅基所制作的电感器的照片[112]。图 11（b）比较了 0.16-nH 电感器的品质因数。25GHz下的平面电感器高品质因数为 9，可以通过将 4 层金

属并联来降低金属损耗而改善品质因数。由四层金属组

成的微机电电感器的品质因数 Q 在 10GHz 时达到峰值

18.6，比平面电感器的提高了 107%。通过采用类似的概

图 9 广为使用的锁相环结构方框图。

念，同样演示了采用微机电技术在硅基上所实现的具有

极低插入损耗的高频率毫米波带通滤波器[115]。另一种类型的微机电技术，机械运动技术，已经被

采用来实现用于毫米波频率的高性能开关，相移器，和

可调谐滤波器中[116]-[118]。然而，微机电滤波器和开

关还未被广泛地结合进入集成电路，这可能是由于微机

电工艺的低成品率和成本问题。绝缘硅（SOI）和质子注入技术同样可以被用来降

低无源器件的损耗[119]，[120]。例如，在硅基片上注入

了质子的毫米波带通滤波器展示出具有 9 GHz 的带宽，

在高传输频率为 40GHz 时仅有 3.4-dB 的损耗。同样，

这些技术在毫米波 IC 技术中并不常用。因此，我们要

介绍用于毫米波 MMIC 设计的硅基工艺中常用的传输

线。在如此高的频率下，无源器件的线性尺寸通常大于

波长的十分之一，并且在设计中要仔细考虑其分布特性。

换一种说法，就是在片无源器件的尺寸并未随着晶体管

的尺寸按照摩尔定理而成比例地变化。采用高介电系数

的介电基片将会有效地减小无源器件的尺寸，但是目前

在商业化的硅工艺中并未普遍使用。因为，在大多数为

了 VLSI 连接所开发的先进的 MMIC 工艺中，在硅基片

之上还有多层介电层和金属层，无源器件可以在这种多

层环境中被实现，并具有在毫米波频率范围内可以接受

的损耗。图 12 是几种在硅基 MMIC 多层次环境中常用

的传输线的截面图。在硅体基片之上的介电材料的总厚

度一般为 5µm。例如，微带线可以通过使用底层的金属层作为接

地面，用高层的金属作为信号线来得以实现。这通常

被称作薄膜微带线（thin-film）[图 12（a）]。薄膜微带

线的电场被局限在介电基片之中，因此，含有损耗的硅

基片被隔离起来，对微带线性能的影响减到了小。另

外，薄膜微带线的信号线非常窄，由于基片的厚度为几

个毫米，因此微带线可以很容易地进行弯曲从而使得布

局非常紧凑。薄膜微带线信号线之间的距离不需要很大；

通常 10-20-µm 的间距便可以使得线-线隔离达到可接受

的程度（可以忽略微带线之间隔离的经验法则是其线距为基片厚度的 1.5 倍）。

另一种降低硅基片损耗的方法是共面波导

（CPW），如图 12(b)所示。通过合理地设计接地

平面和信号线之间的间隙，电场将主要被限制在

薄的介电层中，而不是穿入到硅基片中。为了得

到更好的线-到-线之间的隔离，可以在毫米波电

路设计中考虑使用接地 CPW 和带状线 [图 12（c）和（b）]。

表 2 对标准混合信号/射频 CMOS 工艺中的

传输线进行了比较，并且为毫米波 MMIC 电路设

计选择合适的传输线提供了指南。薄膜微带线由

于其可接受的损耗和紧凑布局而适合于大多数的

电路。然而，由于窄的信号线宽度所引起的高的

金属损耗，很难实现高阻抗传输线。CPW 更加适

合于高阻抗传输线，这是因为它具有更大的图 10 毫米波 VCO 的相位噪声。


图 11 在低电阻率的硅基片上采用微机械加工制成的电感器：（a）芯片照片；（b）仿真和测试的结果[112]。


灵活性来通过调节间隙与信号线宽度的比值而获得具有

可接受损耗的高阻抗传输线。另外，接地的 CPW 和带

状线可以提供更高的线-对-线的隔离度，但它们会比薄

膜微带线和 CPW 占据更大的面积。集成天线已经有关于在毫米波频率下将天线集成进入 GaAs-基MMIC 集成电路中的报道。然而，虽然 GaAs 基片是半

绝缘性的，但由于其有限的孔径尺寸而使得天线效率很

低。2003 年，人们展示了一个含有集成天线的 V-波段

GaAs 前置端接收机[121]。这个前置端接收机是采用

0.15-µmGaAs pHEMT 工艺来制作的。图 13(a)示出了前

置端完整的电路。图 13(b)是前置端芯片的照片，整个芯

片的尺寸是 3×1.5mm2，所测得的归一化 IF 功率辐射图

示于图 13(c)中，前置端表现出对称的 H-和 E-平面辐射

方向图，从定向性和旁瓣程度来说，它具有很好的性能。在文献[26] 中对硅基芯片天线所面临的挑战进行了

讨论。设计硅基芯片天线所面临的主要问题是来自于硅

基片的损耗。基片损耗使得天线增益和效率有所降低。

已经有通过采用特殊的工艺来提高在片天线性能的报道。

文献[28]建议了一种采用 0.8-µmSiGe HBT 技术来实现在

片折叠偶极天线的单片 24-GHz 接收机。这个工艺采用

了高阻性硅基片来改善集成天线的辐射效率。接收机由

一个低噪声放大器，一个混频器，一个 VCO，一个缓冲

放大器，和一个频分器组成。芯片面积为 4.5mm2，包含

有接收机，接收天线和一个可选发射天线。在 24GHz 频率下，功耗为 960mw 时，所获得的转换增益为 31-dB。

我们所建议的在片天线具有一个外接介质谐振器，

其中天线是采用标准 0.18-µm CMOS 工艺制作的[29]。

图 12 硅基片上传输线的几何示意图：（a）薄膜微带线；

（b）共面波导；（c）接地共面波导；（d）带状线。

为了改善天线的增益，使用了一个介电常数为 39 的介

质谐振器来改善辐射效率。36-GHz 天线可以达到 40%的辐射效率。微细加工同样也降低了硅基片上天线的损

耗[122]。例如，已经报道了一个 29.5GHz 的经过微细加

工的槽环（Slot-loop）天线，具有 1.5-dBi 的天线增益和

3.6×3.6 mm2的芯片面积。至今为止，好的硅基集成天

线是在文献[12]中所报道的。它在 1-kΩ-cm SOI 基片上

使用了一个 CPW 贴片，在 40-GHz 下的增益为 2.3-dB。在体硅集成电路工艺中，为了防止基片损耗，通常

采用向上的单向辐射图。宽带操作和小型化同样是集成

图 13 将一个二极管混频器，一个压控振荡器和一个偶

极天线集成进入单个 3×1.5mm2 芯片中的 V-波段接收机

的（a）电路图，（b）芯片照片，和（c）归一化的中频

功率图[121]。

设计硅芯片天线所面临的主要问题是

来自于硅基片的损耗。


图 14 将一个在片天线，一个功率放大器，一个压控振

荡器，和一个谐波混频器集成在一块尺寸为 1.3×1.5mm2

芯片上的 60-GHz SiGe BiCMOS 发射机的（a）方框图和

（b）芯片照片[11]。

天线设计的重要问题。另一个问题是天线和附近电路或

安装面之间的相互影响。一个解决方案是采用反射器或

背腔体设计。另外，在设计硅基在片天线时，必须考虑

工艺或封装问题。 2006 年时，报道了一个采用 0.18-µm SiGe BiCMOS

工艺将硅基在片天线与 60-GHz 发射机相集成的实例[11]。图 14 是 60-GHz 发射机的电路方框图和芯片照片。通过

采用芯片以外的反射器来增强天线增益，发射机具有

20.2-dB 的转换增益和 15.8dBm 的输出功率。在文献[27]中，报道了一个采用 0.12-µm SiGe HBT 工艺的具有在片

偶极天线的 77-GHz 4-单元相控阵列发射机和接收机。4-单元相控阵列接收机集成了 4 个-偶极天线，接收机表现

出具有 37-dB-单路径的接收机增益和 8-dB 的噪声系数。

这两个报道均展示了用硅基技术将在片天线和前置端集

成在同一个芯片上。然而，这些天线具有较低的辐射效

率。表 3 总结了所报道的集成天线的性能。硅基片上的

天线比那些在 GaAs 或 SOI 基片上的天线的增益要低。

微机电技术同样可以改善天线的性能，但还不足以用在

实际应用中。

毫米波封装封装系统（SIP）概念包含了系统集成的两种不同的方

法：一种是多芯片的封装，另一种采用的是集成基片的

方案。多芯片封装可以是传统的多芯片模块（MCM）

封装或三维堆积式封装。在这种方案中，其功能随着单

个封装内芯片的增多个而增加。Kyocera 已经报道了一

个具有很低的电路板-到-封装的过渡损耗，适合于 77-GHz 应用的封装[124]。另外，集成基片方案将无源元件

集成或镶嵌到同一个基片上。无源元件可以包括已做好

的集成元件（R/L/C），传输线，滤波器和天线。已经

报道了一些在毫米波范围内用于集成基片的材料，包括


低温共烧陶瓷（LTCC），液晶聚合物（LCP）和

（BCB，Benzocyclobutene）。 LTCC 的多层次数量为设计提供了灵活性；然而，

为了达到更好的性能，可能会要求使用 DuPont 941，或

Ferro A6 这样的低损耗基片带。一个将无源元件集成在

LTCC 上用于 60-GHz 应用的实例显示在图 15 中[125]。一个交叉型天线被同时用于发射和接收。发射和接收路

径采用不同的频率范围：采用基片集成波导制成的不同

通带的带通滤波器被组合形成双工器。在传输和接收路

径上的插入损耗均低于 2.5dB。输入/输出端口连接到微

带线，而滤波器是通过槽隙-耦合的基片集成波导谐振器

来实现的。这个例子展示出如何使用多层结构来将不同

的传输线，转换器和天线集成进入到单个基片中。在毫米波应用中，希望采用倒装芯片技术来进行

MMIC 芯片与基片之间的连接，这是因为这样做与焊接

连接相比连接距离短并且寄生效应低。另外，焊接料的

图 15 将接收/发射空腔滤波器和交叉贴片天线集成在一

起，并将空气腔放在顶端的顶视图[125]。

图 16 圆晶片层次封装的截面图[130] 。

表面张力在倒装芯片的回流焊过程中会自动地将芯片和

基片对准。较小的倒装芯片凸起会产生较低的插入损耗

和较好的回波损耗。具有 25-µm 凸起的接地-信号-接地

倒装芯片连接的回波损耗在从直流到 80GHz 范围内优于

20dB[126]。在文献[127]中已经报道了 60-GHz 的基于 LTCC 技

术的发射机和接收机模块。在这个工作中，LTCC 技术

加上倒装芯片连接方法被用来将 MMIC 和无源元件集成

进入发射机和接收机模块中。发射机模块包括一个倍频

器，一个调制器，一个滤波器和一个功率放大器。接收

机模块包括了一个解调器，一个滤波器和一个低噪声放

大器。这两个模块同样包含了 CPW-到-波导的转换来将

信号馈入贴片天线模块之中。基带电路位于在 LTCC 发

射机和接收机模块下面的印刷连线板上（PWB）。采用

球栅阵列连接法将 LTCC 模块与用于 30-GHz 连续波信

号，直流偏置和基带信号的印刷连线板相连接。发射机

和接收机在距其 7-m 处使用 6×8 个单元的阵列天线时能

达到 1.23Gb/s 的数据传输速率。液晶聚合物(LCP)由于其较低的介电损耗而成为可

用于毫米波应用中有前途的基片。Thompson 在文献[128]中介绍了 LCP 的特性。文献[129]介绍了一个在 60-GHz使用 LCP 的具有约 2.5dB 插入损耗的带通滤波器。与

LTCC 相比，LCP 的成本相对较低，但是它们没有

LTCC 所提供的多数量的垂直层。 BCB 的工艺精度与芯片制造的精度相近，是另一

种可能用于毫米波应用的介电材料。它可以作为介质直

接旋转涂覆到圆晶片上。随后通过电镀将铜喷涂在 BCB的顶部来制作传输线以用于在 IC 之上的连接。这种方

案示于图 16，被称作薄膜圆晶片层次的封装[130]。BCB和金属同样可以涂敷到硅或玻璃上，这被称作薄膜 SIP或多芯片模块的涂敷[131]。可以喷涂两层或更多层 BCB。就像在 LTCC 技术中一样，倒装芯片的安装随后被用来

将基片与 MMIC 芯片相连接。由于 BCB 工艺的精度与

IC 工艺的相接近，多芯片模块的涂敷方案可以同样将一

块有源芯片镶嵌进入 BCB 基片，一个将天线放置在顶

部，将 MMIC 芯片镶嵌进入 BCB 的实例被示于图

17[132]。因为 BCB 非常薄，芯片被安装在硅基片的一

个腔体中，贴片天线阵列随后在 BCB 的顶部制作而成。

金凸起被用来实现芯片和 BCB 上金属线的连接。表 4 总结了 LTCC，BCB 和 LCP 的介电常数和损耗

正切值[128]，[129]，[133]-[136]。LTCC 具有高的介

电常数，因此在 LTCC 基片上制作的电路尺寸较小。根

据所报道的数据，这三种材料的损耗正切值是相近的。 IBM 在 2006 年演示了用于芯片和天线集成的 60-

GHz 芯片层次的封装[137]。在这个报告中的 60-GHz 芯

片组使用的是 0.13-µm Si Ge BiCMOS 技术[7]。发射机

在片天线提供了一个较高的系统集成

度，但带来的缺点是损耗和单位面积

的高成本问题。


包括了一个毫米波混频器，一个功率放大器，一个 PLL和一个中频混频器，而接收机芯片是由一个低噪声放大

器，一个毫米波混频器和中频混频器组成的。折叠式偶

极天线是在熔融石英上另外制作的，并且通过空气背腔

以便达到更好的效率。随后通过倒装芯片连接法将天线

和发射机芯片及接收机芯片连接起来。芯片和天线均被

焊接到印刷电路板上。因为只需要 I/Q 信号和时钟信号

来作为发射机和接收机芯片的输入，因此采用焊线连接

方式将芯片和 PWB 线相连接。芯片和天线随后用低成

本的圆顶材料进行封装来加以保护。留下了一个窗口来

用于天线直接向空气进行辐射。在 630-Mb/s 的传输速率

和 10-m 的间隔下，这个系统可以达到 10%的帧误差率。由于毫米波范围内的短波长和高损耗，需要低损耗

材料和高集成度来减小来自于材料和无源器件与 MMIC元件之间连接的损耗。同时，减小连接长度同样会要求

进行基片集成。毫米波的短波长特性同样要求或者提高

对无源器件制造公差的要求，或者需要电路对工艺变动

不甚敏感。对于天线来说，在片天线提供了一个较高的

系统集成度，但是所带来的缺点是损耗和单位面积的高

成本问题。封装天线可能会是一个降低成本和提高增益

的方案，但要求在天线和 MMIC 芯片之间要有一个好的

连接方法来保持封装天线所带来的好处。

结论根据硅基 MMIC 的现状，有可能用硅基技术来实现毫米

波 SOC，这包括了将天线，中等功率放大器，收发机和

本振源（频率合成器），以及基带电路集成进入同一个

芯片之中。通过采用特定的连接方案，如倒装芯片，将

芯片和基片相连接，同样有可能在毫米波通信系统中将

可能是好的芯片集成进来。目前，CMOS 是用于基带

电路的佳选择，而 GaAs 和 InP MMIC 可以在收发机

图 17 嵌入在 BCB 中的 MMIC 芯片，在顶层的是天线

[131]。

中提供好的噪声/功率性能。高效率的天线可以直接在

封装基片上完成。SIP 方案在某些特定的系统中可以提

供元件的优化组合以达到佳的性能。例如，一个包

含了 CMOS 基带电路，基于 GaAs/InP 的收发机，高效

率天线和高功率放大器的封装系统可以具有佳的系统

特性。正如我们已经讨论过的，SOC 的范围可以随着

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mmic ch sim 2009

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