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宽带卫星通信系统广泛应用于电视广播、全球定位导航、宽带通信服务和遥感测绘服务等方面。为了提高系统带宽和通信数据率,工业界正在研究采用Ka波段进行通信的宽带卫星通信系统。该应用对毫米波无线收发机提出更加严苛的性能、功耗和面积要求。在毫米波收发机中,提供本振信号的频率综合器是最核心的组成部分之一。其输出的本振信号质量对收发机系统的整体性能有非常大的影响。本文将针对应用于22GHz的无线接收机系统和30GHz的无线发射机系统中的锁相环型频率综合器的关键技术进行研究。本文详细介绍了模拟锁相环中主要模块的频域或z域模型,推导其输入输出的信号增益以及各噪声源到锁相环输出端的传递函数。由此,便可以对环路的噪声性能有较为全面和深入的认识,并且以此为根据,优化分频链路的分频比分配、环路滤波器的幅频和相频响应特性、鉴频鉴相器和电荷泵的匹配度以及振荡器的噪声水平等性能指标。本文详细分析了毫米波模拟锁相环中的振荡器和电荷泵等核心模块的工作原理、存在的问题以及目前的研究进展。然后分别针对各自的问题,提出相应的优化技术。仿真结果表明,本文针对22GHz负跨导振荡器提出的优化技术使其在覆盖2GHz以上的频率调谐范围情况下,将其1MHz频率偏移处的相位噪声降低到-100dBc/Hz。针对10GHz的C类振荡器提出的优化技术,在将相位噪声降低到-112dBc/Hz以下,FoM值降低到-190dBc/Hz程度的情况下,把振荡器的功耗大幅度降低到4.5mW。另外,本文针对差分电荷泵和高电源电压电荷泵提出的优化技术使其瞬态失配降低到5‰左右。本文将针对振荡器和电荷泵提出的优化技术分别应用于22GHz锁相环和10GHz锁相环中。22GHz锁相环采用TSMC 90nm工艺流片验证。测试结果表明,锁相环覆盖20.3-22.5GHz频率范围,并且可以完成快速锁定。在需要的频率范围内,锁相环输出信号的在1MHz频率偏移处的相位噪声基本为-97dBc/Hz。10GHz锁相环采用TSMC 65nm工艺完成。在cadence仿真平台进行的环路瞬态仿真表明,锁相环在不同小数分频比下,均可以在30μs左右完成锁定。因为采用功耗极低的C类振荡器,锁相环整体的直流功耗只有14.4mW。