- 文献综述（或调研报告）：
随着5G通信的发展，通信电磁波频率基本确定，毫米波K-Q波段相关技术逐渐成为热门。在射频前端中，压控振荡器（VCO）起着举足轻重的作用，因而国内外关于K-Q波段VCO的研究广泛而全面。目前的VCO研究，主要是基于带宽、相噪、功率三个指标中的一个来研究，思路是满足两个基本条件的情况下尽可能地优化第三个指标，由此产生了很多种单一优化的设计结构。在不产生影响的情况下将这些结构巧妙的组合起来，便可以得到综合性能良好的VCO。在不同的场合，对VCO的要求也不一样，因此实际情况中需要按需设计，平衡性能。本次课题中三个指标要求都不算低，带宽要求比较高，因此需要了解三种优化方式。
在过去的一个世纪里，通信技术的发展彻底改变了我们的生活方式。自1901年马可尼跨大西洋无线通信实验以来，从早期电报到如今配备了上网和多媒体功能的手机，几乎每个移动终端都具有无线互联功能。随着微电子工业的发展，无线通信技术市场也得到了快速的增长。包括WiFi，GSM，Bluetooth，UWB，WCDMA/CDMA和NFC等在内的各种通信协议，已经基本上满足了人们通信的需求。人类生活已经越来越离不开无线通信技术。但是，随着无线通信技术的不断发展，各项技术对通信系统的通信容量、成本以及集成度都提出了很高的要求。传统的通信频段已经不能满足各项技术对高容量、高速度通信的需要，无线通信技术迫切的需要更高频率、更高带宽的通信解决方案。根据香农理论，通过提高信道带宽B或提高链路的信噪比SNR，可以提高数据的最大传输速率[1]。但受限于多种自然以及实现方式上的限制，信噪比通常很难再提高，而增加带宽成为增大传输能力最直接的方法。这一点在低频段受到频率资源匮乏的限制，而微波毫米波频段可以提供更为丰富的频率资源。国际上各种协议的支持也使得民用及商用毫米波大容量通信成为可能。目前，人们对毫米波频谱资源利用的规划已经规划到了300GHz[2]。
虽说毫米波各频段有所不同，但是设计相应VCO的结构是大同小异。一般集成压控振荡器主要有两种类型，一种是环形振荡器，另一种是电感电容振荡器。环形振荡器相比电感电容压控振荡器具有线性度好，成本低，易于集成，调节范围宽，结构简单等优点，所以在低中频通信系统中得到了广泛的应用。然而，其拥有相位噪声较差，电路性能不稳定，功耗高等缺点，其在1-2GHz之后的相噪表现就远低于LC振荡器，导致环形振荡器逐渐不能满足高要求的射频集成电路设计，故在Q波段很少采用。现代压控振荡器设计更倾向于整体性能较好的电感电容压控振荡器。电感电容压控振荡器的基本原理是通过带通 LC 谐振回路来衰减振荡频率以外的其他频率成分，从而实现频率选择功能。由于谐振回路的带通选频特性，LC 压控振荡器具有极好的频谱特性，常用在射频通信电路中提供本机振荡信号[3]。
在LC振荡器中，当下主流结构有考比兹结构与交叉耦合结构。考比兹振荡器在K-Ka波段都有着非常好的相噪性能，根据此也可以设计出比较宽的调谐带宽[4]，问题在于当频率上升到Q-U波段后，考比兹电路的相噪就会急剧恶化，影响设计。交叉耦合结构（Cross coupled）是目前使用范围最广，综合性能最突出的结构。其在K-Ka波段的表现不如考比兹电路，但是几乎在全波段都有较为良好的性能，到了Q-U波段之后振荡器基本就以此结构为基础，也更容易做到超宽带设计。对于设计一般Q波段VCO来说，采用单级LC交叉耦合振荡器便足以满足要求[5]，主要需要考虑LC节对电路的影响，负阻的形成、尾电流源的布置以及对管版图结构等[6]。
当然，设计VCO芯片最重要的一点是选择适当的工艺，基于此工艺进行设计。目前芯片界主流工艺有：m-v族化合物半导体，如砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）。这类工艺制作的晶体管具有较高的电子迁移率、击穿电压，高增益和低噪声，制作的无源器件有较高的品质因子（Ｑ），但集成度低、成本高，难以与基于硅工艺的超大规模基带数字电路实现单片集成，这都在一定程度上制约着IH-V族化合物半导体技术的大规模的市场化应用。锗硅（SiGe）工艺，如异质结双极晶体管（HBT）和BiCMOS相比于GaAs工艺，能以低的成本提供相近的性能[7]。CMOS 工艺具有成本最低、功耗最小、集成度最高、应用最广泛等优点，导热率极高也适合于制作高功率器件[8]。
在BiCMOS工艺的基础上，一种基于C类拓扑结构的VCO取得了非常好的相位噪声性能，其采用缩小L/Q从而更进一步降低相噪，可以达到业界最低的-117dBc/Hz @1MHz，采用多位开关电容以获得非常大的调谐带宽[9]。一种采用LC谐振组的交叉耦合VCO可以达到8-32GHz超宽带调谐范围[10]。相位噪声理论以及降噪技术的研究工作：早先有 Leeson 模型，现在应用较多的是 Hajimiri模型[11]。器件模型的研究依然在不断的探索中，不断地有新的理论被提出，已有模型也在不断地完善中。压控振荡器的相位噪声性能是影响集成接收机灵敏度的最主要的因素。理想的正弦波的频谱是一个脉冲函数，但是实际电路中由于存在相位噪声，振荡器输出的信号频谱特性都有一定程度的相位噪声。电感电容压控振荡器的噪声主要来源于片上电感的串联电阻、差分对管和偏置电流源[12]。要设计出低相位噪声的 VCO，首先需要分析各种噪声源对总体相位噪声的影响，采取相应的措施减小相位噪声。而对于调谐范围和使用的变容管来说，目前较多使用的是累积型 MOS 管电容，可以同时拥有较高的 Q 值和较大的调谐范围，最适合应用在振荡器中[13]。
参考文献：
[1].Li L , Reynaert P , Steyaert M . A 90nm CMOS mm-wave VCO using an LC tank with inductive division[C]// Solid-State Circuits Conference, 2008. ESSCIRC 2008. 34th European. IEEE, 2008.
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