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微波毫米波6bit数字移相器MMIC电路研究

陈佳慧  
【摘要】:20世纪以来无线通信蓬勃发展,卫星通信、WiFi、蓝牙、雷达等新型应用更新迭代不息,促使着宽带相控阵系统不断向高速率、低成本、小型化的方向翻新进步。不断发展与完善的微波单片集成电路成为设计上述相控阵系统的不二之选。然而,移相器作为相控阵系统的核心模块,很难实现超宽带工作,要求在微波低波段实现芯片小型化设计更是举步维艰。本文的目的是基于MMIC设计出两款小型化、低成本、高性能的超宽带6bit数字移相器。论文首先介绍了CMOS移相器,分析当前硅基工艺在设计高性能移相器时的局限性,随后引入III-V族工艺作为对比,表明了GaAs工艺在移相器设计上的优势。随后对常见类型的移相器与开关进行详细的原理介绍与电路分析,并总结了各自的性能特征和设计要点。两款芯片均基于0.5μm GaAs pHEMT工艺,设计方法与电路结构相似。论文针对移相器核心开关,建立了pHEMT元件处于导通与关断状态的等效模型,并分析了栅宽、隔离电阻对开关性能的影响,以及如何选取直流工作点、提取pHEMT元件寄生参数的方法。基于芯片的设计指标,研究了移相单元最优拓扑选取方法,最终45°、90°、180°移相位采用改进的高通-低通网络型拓扑,22.5°、11.25°、5.625°采用嵌入开关型拓扑。此之外,电路还采用了最优级联方式,减小了移相单元间的相互影响。为了实现小型化芯片设计,在电路结构与版图布局方面都做出了相应的改进;为了保证芯片的成品率,还进行了蒙特卡洛分析。第一款芯片工作在3-6GHz,测试结果表明,RMS相移误差小于4°,平均插入损耗为6dB,相对带宽达到66.7%,最终芯片的面积为1.8mm~2。第二款芯片工作在C波段,仿真结果表明,在2.5-4GHz的频率范围内,RMS相移误差小于2°,平均插入损耗为5dB,IP1dB为30dBm,相对带宽为46%,芯片的面积为2.684mm~2。两款芯片的性能充分验证了本文设计方法的有效性,有利于推动微波低频段低成本、小型化、超宽带移相器的研究。


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