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随着现代无线技术的不断发展,工作于毫米波频段的无线射频系统具有越来越多的吸引力。作为射频系统中的关键模块,毫米波频率源是目前制约无线系统性能的瓶颈所在。本文将重点针对射频毫米波频率源集成电路所面临的高频、宽带以及低相位噪声三方面挑战,对频率源集成电路的性能提升方法进行了针对性地研究。本文首先探索直接产生毫米波频段低相位噪声信号的可能性;之后提出了超宽带注入锁定技术及相应的带宽扩展技术,实现了毫米波频段的超宽带低相位噪声信号产生;最后,研究了雷达和通信系统中的高性能频率源应用。本文的主要研究工作如下:1.提出了可扩展多振荡器耦合版图布局技术,采用八路振荡器耦合,实现了9 dB的相位噪声改善。基于该技术,采用65 nm CMOS技术,设计了一款60 GHz压控振荡器。在1 MHz频偏处,实现了-105.5 dBc/Hz的相位噪声。2.提出了一种基于变压器耦合的四阶负载技术,极大幅度地提高了毫米波频段注入锁定振荡器的锁定带宽。基于该技术设计了两款工作于60 GHz的注入锁定分频器,采用65 nm CMOS工艺,在功耗为1.2 mW的情况下,实现了62.9%的工作带宽。3.提出了一种基于强耦合变压器的注入电流提升技术,提升了毫米波注入锁定倍频器的输入电流幅度,进而极大幅度地提升锁定带宽。基于该技术设计了两款工作于22.4-43.2 GHz的超宽带注入锁定倍频器。采用65 nm CMOS工艺,其实现了61.8%的工作带宽,相比现有注入锁定倍频器提升了5.2倍。4.提出了一种多模式可调倍频比的倍频技术,使用低频窄带信号输入,产生毫米波超宽带信号输出,实现了毫米波频率源带宽展宽效应。采用65 nm CMOS工艺,设计了两款超宽带多模式倍频器。一款采用乘3.5、乘4.5和乘5.5的可调倍频比,在仅需要6.2-8.0 GHz(25.3%带宽)的输入信号情况下,实现了21.7-41.7GHz(63.1%带宽)的超宽带正交信号产生。另一款采用乘5和乘7的可调倍频比,在输入信号为4.3-5.8 GHz(32.0%带宽)时,能够产生22.4-40.6 GHz(57.8%带宽)的超宽带输出信号。5.将高性能频率源应用于雷达和通信系统中。采用180 nm CMOS工艺,设计了一款工作于24 GHz频段单发双收雷达芯片。此外,采用65 nm CMOS工艺,设计了一款工作于39 GHz频段的通信双路接收芯片和双路发射芯片。