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應用於28 GHz 5G通訊的接收機前端關鍵元件及電路之研究

為了解決S22 Ultra的問題，作者藍楷翔 這樣論述：

本論文由射頻接收機的電路模塊組合而成，積體電路的部份主要是研究第五世代行動通訊系統的接收機所需之積體電路，包括低雜訊放大器、功率分配器、巴倫、混波器，從傳輸線之理論推導開始，進一步製作出其所對應的傳輸線模型，並將其推廣至耦合傳輸線模型，最後將其應用在實際的電路設計中。電路板電路的部份主要是研究第五世代行動通訊系統所會使用到的陣列天線，從傳輸線的阻抗轉換開始，藉由不同電氣長度、不同特徵阻抗的傳輸線，分別實做出相對應的串聯饋入式陣列天線及相對應的並聯饋入式陣列天線。我們從貼片天線的原理開始。簡短的介紹貼片天線的輻射原理之後，我們會開始介紹傳輸線的阻抗轉換應用在陣列天線的實際樣貌。之後提出一套設計

流程，分別來進行串聯饋入式陣列天線及並聯饋入式陣列天線的設計。論文的積體電路部份，從射頻傳輸線的理論推導可以得知，傳輸線和負載的組合，能夠改變看入負載之實際值，其實際值能夠使用傳輸線阻抗轉換公式得知，因此根據其公式的表示法，我們能夠在四分之一波長的轉換情況下，進行電磁模擬並實際得出準確的傳輸線特徵阻抗及其對應的波長物理長度，以此建立準確的傳輸線模型。再來，我們可以應用耦合線傳輸線的公式推導，得出耦合線傳輸線之奇數模態、偶數模態的實際對應特徵阻抗，並且求解其所對應的耦合係數，藉此建立其相對應的耦合線傳輸線模型。並將其結果應用在實際的電路設計中。接著，在28 GHz低雜訊放大器的成果中，我們在放大

器的第一級加入了耦合線傳輸線的回授，藉此讓其在全頻段穩定的情況下，得到較高的增益值及較低的雜訊值，意即，讓其相對應的最低雜訊圓、最大增益圓能夠在Smith Chart上靠得更近。放大器第二級的部份，因為常見的低頻放大器會選用一般疊接的形式，但對射頻電路而言，其疊接的結果會造成輸出阻抗過大，導致我們只能夠有相對較差的輸出反射系數，所以我們改良了其小訊號所經過的路徑，將其做成乍看是疊接，實際上是串接的輸出電路，以此來得到較高得增益值和較寬的輸出頻寬。並且，我們還採用了基極空接的技術，將電晶體的門檻電壓調低，藉此將電晶體的工作點Q點移動到較右下的位置，以此來得到較低的工作電流值，藉此降低整體電路的消

耗功率。功率分配器及巴倫的部份，我們改良了傳統的威爾金森功率分配器，使其有更小的面積及更大的佈局彈性。首先，我們在功率分配器的輸入端，並聯了一電容接地，改變電氣長度的實際值，藉此縮小功率分配器所需要的實際金屬長度。再來，我們將傳統威爾金森功率分配器所使用的電阻隔離，根據等效公式轉換成電阻及電容並聯的結果，得到更加優秀的隔離度。最後，根據電路學的Δ-Y轉換公式，將威爾金森功率分配器的傳輸線模型，置換成可以使用耦合線傳輸線模型的形式，此點對布局上的面積節省有極大的幫助。而為了將其應用在混波器的設計中，我們使用了電容、電感、電容和電感、電容、電感的被動元件相結合，設計出適當的電氣延遲和電氣領先，並將

其組合至前述所提及之威爾金森功率分配器，藉此來得到有著優良特性並且可以有高佈局彈性的巴倫被動電路，並將其實際應用在混波器的設計中。混波器的部份，在轉導級的地方，我們使用了在低雜訊放大器所提到的基極空接技術，將其所需之直流電流調降，間接降低所需要使用的功率消耗。另外，為了解決轉導級和開關級使用同一直流電流所產生的問題，我們參考了使用變壓器電路進行電流分隔的方法，將其改良成使用四分之一波長傳輸線來進行直流分隔。混波器所需之中頻負載部份，我們則採用了只有低壓降卻能有高阻抗值的震盪器並聯電阻的負載設計，降低我們所不需要的功率消耗。最後，因為開關級在理論上是不會有任何功率消耗的，但實際上還是有，所以我們

為了更進一步的降低開關級所不需要的功率消耗，因此我們藉由電流轉向技術，將中頻訊號直接轉向至緩衝器端，達到更進一步降低功率消耗的結果。最後，我們將提出來的各種電路，組合成一射頻接收機的前端。