60 GHz 微带波导转换结构设计及其在通信集成前端中的应用*

崔恒荣，王 伟，孙 芸，张 挺，孙晓玮

(中国科学院太赫兹固态技术重点实验室，中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海 200050)

60 GHz 是新一代的宽带无线通信技术，具有高达数Gbit/s 的数据传输能力，广泛应用于超高速无线本地局域网(WLAN)、无线个人局域网(WPAN)和超高速点对点通信中，同时在近程探测技术中也有着广泛的应用前景。

目前为止，国外多家研究机构和公司均开展了60 GHz 无线通信技术的研究［1-3］，包括60 GHz 通信机理研究，通信芯片设计和设备开发等。2007年SiBeam 推出了全球第一款基于CMOS 工艺的60 GHz 无线传输芯片;随后在2011 CES(国际消费电子展)展上，戴尔、华硕、友旺科技、VIZIO、Monster 均推出了基于SiBeam 芯片的无线传输应用系统;2012年IMEC 与松下合作开发了传输速度高达7 Gbit/s的低功率无线传输模块原理样机。而60 GHz 宽带无线通信技术在国内的研究才刚刚起步［4-7］。

60 GHz 频段频率较高，波长短，细小的结构变化对于系统的性能有较大的影响，高性能毫米波T/R 组件是系统设计的关键。而在通信前端系统设计中经常会遇到毫米波平面路到波导结构的转换，因此具有低损耗和结构简单的微带波导转换结构对系统性能有着很大的影响。另外，共面微带传输线技术，包括印刷电路板和陶瓷衬底材料的线路板技术已经在毫米波系统中得到了广泛的应用。基于此共面微带传输技术的微带-波导转换结构的设计，尤其在60 GHz 频段，已经成为一个重要的挑战。

1 60 GHz 无线通信特点、标准及应用

60 GHz 频段处于氧气中的吸收峰，在水平面内，由于氧气吸收带来的衰减可达到16 dB/km，因此60 GHz 可以提供良好的空间隔离和安全传输的条件。带宽方面，60 GHz 有将近7 GHz 的可用带宽，可以实现Gbit/s 超高速率的传输，并且可以实现多路的数据高速传输，且不会对其它通信系统造成影响。

目前多个国家已经对60 GHz 通信频段进行了划分，如图1所示。美国FCC 分配了59 GHz～64 GHz 免许可的连续频段，允许最大发射功率为40 dBm;日本制定的60 GHz 频段通信的频率范围为:59 GHz～66 GHz;而欧洲规定了59 GHz～62 GHz 频段用于WLAN，62 GHz～63 GHz和65 GHz～66 GHz两个频率分配给移动宽带系统。

图1 60 GHz 通信频谱分配图

国际上正在制定和已经制定的60 GHz 标准主要有3个，分别是欧洲计算机协会的ECMA-387(ISO/IEC13156-2009);松下、NEC、Sony 主导的IEEE 802.15.3c-2009和Intel、Dell、LG 等公司主导的IEEE802.11ad。从商业应用情况而言，以提供无压缩高清视频传输为主要目标的WirelessHD 联盟采用了802.15.3c 标准;面向消费电子、计算机和手持设备无线高速接入应用的WiGig 联盟采用了802.11.ad 标准。

20世纪90年代开始，就有关于60 GHz 频带的微波单片集成电路(MMIC)和通信前端设计的相关报道［8-10］，至今仍然是研究的热点。2002年IEEE国际固体电路会议(ISSCC 2002)上，NEC 公司报告了60 GHz 的射频前端芯片，采用AlGaAs/InGaAs heterojunction FET(HJFET)工艺;2004年初Dr.Chinh Doan 在ISSCC 上发表题为“Design of CMOS for 60 GHz Application”的论文，宣布业界第一个CMOS 60 GHz 放大器的研制成功，并展示了仿真和芯片实测结果的良好吻合。2006年，Behzad Razavi发表了关于60 GHz 的CMOS 工艺的接收机射频前端芯片;IBM 在2006年IEEE 国际固体电路会议(ISSCC 2006)中报导了关于采用0.13μm BiCMOS工艺制备60 GHz 频段无线通信芯片组;2007年Si-Beam 推出了全球第一款基于CMOS 工艺的60 GHz无线传输商用芯片;2008年IBM 研究小组展出了基于锗硅工艺全集成60 GHz 无线传输模块;索尼在东京技术研究所的研究小组已经开发出了基于CMOS工艺的60 GHz 无线通信芯片，数据传输速率为6.3 Gbit/s，并于在ISSCC 2012 上展出。

随着硅基半导体工艺的不断进步，90 nm～45 nm 已经成为主流的工艺，为60 GHz 超宽带通信的芯片的解决带来了新的机会，但CMOS 技术并非完美无缺，如较低的性能(电子迁移率较低、较高的噪声、较低的增益以及非绝缘衬底)和较高的温度灵敏度使CMOS 技术面临不小的挑战。Ⅲ～Ⅳ族化合物衬底MMIC 芯片较硅基60 GHz 芯片而言具有更好截止频率和更大的功率水平，可以应用于中大功率的应用场合，如美国TRW 研制的60 GHz 的MMIC 输出功率为300 mW。开展基于MMIC 芯片技术60 GHz 毫米波系统的研发，可以满足有一定无线传输距离要求的通信系统，并提供点对点的快速大速率传输通道，同时具有较好的安全性。60 GHz通信技术在国防和民用应急通信系统中有着良好的应用前景，开展相关的研究具有重要的意义。

2 60GHz 微带共面波导转换结构设计

本文分析了V 波段微带-波导转换的特性，设计了一款结构简单的转换结构，并进行了相应的测试与集成验证。随着毫米波信成电路的发展，许多应用系统提出了与微波集成电路一体化的波导微带转换需求。本文中集成前端采用喇叭天线作为信号传输的部件，采用波导接口，集成电路采用MCM 的集成工艺，需要将60 GHz 信号从平面微带转换为波导的形式。测量系统的接口形式为波导接口，本文将两对波导-微带，微带-波导的转换接口相连，形成了波导-微带-波导的对称结构，以方便测量的需要。

2.1 转换结构特性分析

微带与波导的转换特性与波导同轴之间的转换比较相似，也是将微带插入波导之中形成激励探针。微带线在波导腔体中所激励起的电磁波在波导中形成转换，变成波导结构中的能量传输，其结构如图2所示。可以看出，微带线从波导的宽边插入到腔体结构中，同时在微带探针的上方存在一个波导短路，形成微带线到波导的转换，转换方向在图中下向。

图2 微带波导转换示意图

由电磁理论可知，微带线上传输模式为准TEM模，当其插入波导中时同样激励起波导模。矩形波导内的主模为TE10模式，根据微带与波导的模式电场分布的特点，当微带线作为探测从波导的宽边中心插入，且置于波导场强最大处时两者的偶合效率最高。

微带探针终端开路，电流为零，同时微带上电流可以假设为均匀的正弦驻波分布，则电流形式可以表示为:

其中d为微带探针插入的深度，当0 ＜y ＜d。对于TE10模，微带底部的输入阻抗可以表示为:

根据探测上的电流分布，可以求得微带底部的输入阻抗为:

同理，可得TE10模总的输入电抗:

波导短路面的距离取λ/4，使在波导内形成驻波。对于宽边为b，窄边为a 的波导而言，其特性阻抗可能通过谢昆诺夫定义求出:其中a为波导窄边的宽度，b为波导宽边的宽度。

微带探针与波导的耦合过渡具有电容特性，在微带探针的设计过程中应加入电抗特性以实现与标准50Ω 的阻抗匹配。微带线到波导的过渡需要较好的传输损耗，要求较小的回波捐耗，波导阻抗与微带线阻抗之间需要进行匹配，本文中采用多支节阻抗变换器进行阻抗的变换，具体参数见§2.2。

2.2 设计参数与测试

本文中探针采用特性阻抗为50Ω 的微带线，基板材料为Rogers5880，厚度5 mil，介电常数2.18。对结构中的多个参数进行了优化，相关的数量如表1所示，PCB 板的加工工艺即可满足精度的要求。本文对这种结构进行了加工测试，如图4所示，显示了较好的驻波和传输特性。

图3 微带与矩形波导的转换结构示意图

表1 V 波段微带-矩形波导过渡结构的优化设计参数单位:μm

图4 V 波段微带-WR-15 过渡结构及测试结果

3 60 GHz 通信集成前端设计与应用

3.1 集成前端实现方案

本方案采用直接变频技术方案，下图为方案的系统结构图。在发送端，由信源发出基带信号，基带信号(速率不小于1 Gbit/s)，通过混频器调制到中频(＜5 GHz)，然后上变频到60 GHz，经60 GHz 驱动放大器和天线发射;在接收端，天线接收到60 GHz 信号，经低噪声放大器放大后，输入到60 GHz混频器，下变频到中频信号，然后解调出基带信号。其结构图如图5所示。

图5 通信系统前端实现结构图

集成前端中所用的60 GHz 及相应的毫米波芯片均是基于中科院上海微系统所的前期开发的MMIC 芯片，主要芯片参数如下所示:

①混频器:本振:30 GHz;射频输入:55 GHz～65 GHz;中频输出:零中频;变频损耗12 dB;输入驻波:＜2.5;输出驻波:＜2.5;LO 到IF 隔离度:20 dB;LO到RF 隔离度:20 dB。

②60 GHz 低噪声放大器:带宽:55 GHz～65 GHz;带内增益＞15 dB;输入输出驻波＜2;噪声系数＜3.5 dB。

③60 GHz 驱动放大器:带宽:55 GHz～65 GHz;带内增益＞10 dB;输入输出驻波＜2.5;输出功率(P-1 dB 压缩):＞10 dBm。

在前端集成过程中会存在信号在传输损耗、微带电路与天线之间的转换效率及天线辐射效率等，总计为3 dB，则天线发射的最终功率可以计算为:

其中:PS/G为信号源的输出功率，15 dBm;

Gmixet是混频器的变频损耗，12 dB;

Gdiver是功率放大器的增益，15 dB;

GLoss是总体的传输损耗，4 dB;

在不考虑镜频噪声影响的条件下，根据n 级联网络噪声系数公式可以得到接收机的噪声系数可以表示为:

当第一级增益较大时，主要的噪声体现在第一级与第二级的噪声水平，本文集成前端第一级对接收到的信号首先进行放大，放大倍数为:14 dB，噪声系数为3.5 dB。

3.2 前端集成与测试

本文中，前端集成基于Rogers5880 基板，厚度为5 mil，具有较好的高频特性。集成系统中包括了电源供电模块，功分器设计、滤波器、共面波导传输线等无源电路设计。采用了MCM 的微细加工技术，完成多芯片组装的集成工艺，包括:芯片贴装和倒装焊接，信号传输的金线键合等。集成前端与喇叭天线相配合，组成一个收发终端，最终集成与测试如图6、图7所示。

图6 60 GHz 通信收、发模块测试和调试

图7 60 GHz 通信射频前端收发组件测试图

60 GHz 通信射频发射端中频采用1 GHz 的QPSK 信号进行调制，接收端中频输出采用高速示波器进行采样分析，测试结果如图8所示，可以清楚的看到接收QPSK 信号的星座图。

图8 60 GHz 通信射频前端收发系统测试QPSK 信号星座图

综上所示，通过对60 GHz 通信射频前端收发系统测试，结果表明60 GHz 芯片、模块以及天线能正常工作，60 GHz T/R 系统实现了发射和接收功能。

4 结束语

本文对60 GHz 通信集成前端中的微带波导转换结构进行了设计，实测结果显示转换结构具有较好的传输特性，在57 GHz～64 GHz 通信频段内，传输损耗小于1 dB，同时系统结构简单，易于集成。并在MMIC 芯片的基础上进行了电路设计，利于60 GHz 喇叭天线完成了60 GHz 原理样机的集成。实测结果表明集成前端工作正常，并具备了QPSK 体制下的高速无线通信能力。

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