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Ka频段收发信机单元电路单片集成电路研究

刘宇  
【摘要】: 基于GaAs PHEMT(赝匹配型高电子迁移率管)工艺制作的微波/毫米波单片集成电路(MMIC)具有优异的高频特性、功率特性和低噪声特性,因此被广泛的应用于毫米波通信系统、毫米波雷达系统等领域。本文设计了若干Ka频段收发信机单元部件MMIC,通过商用的0.2μm GaAs PHEMT和0.15μm GaAs PPHEMT(功率PHEMT)工艺实现流片并完成测试。同时研究了多功能单元的集成技术、非线性稳定性分析技术和提高单元电路稳定性技术。主要内容摘要如下: (1)研究了非线性稳定性分析方法,并通过增加可变终端阻抗进行了改进,使仿真环境更接近于MMIC的实际使用情况,可得到更实际的仿真结果。 (2)研究并完成了Ka频段镜频抑制二次谐波低噪声下变频器芯片,该芯片实现了Ka频段低噪声放大(LNA)及镜频抑制平衡式混频等多个功能单元的单片集成,面积仅为2mm×1.5mm。其中低噪声放大单元采用两级共源放大拓扑结构,偏置采用电阻分压方式;镜频抑制平衡式混频单元采用小型化Marchand Balun和阻性PHEMT器件构建偶次谐波混频单元,并应用Lange耦合电桥实现镜频抑制混频器的宽带特性;同时,利用改进的非线性稳定性分析方法指导上述功能单元的级联电路设计。测试表明,该芯片在整个30~40GHz频段内变频损耗小于10dB,镜频抑制度大于15dB。 (3)研究并完成了Ka频段400mW功率放大器芯片的设计,该芯片采用片上功率合成技术,在35GHz处,小信号增益大于6dB,饱和输出功率大于26dBm。 (4)研究并完成了Ka频段瓦级功率放大器芯片的设计,该芯片采用片上功率合成、模拟负载牵引和改进非线性稳定性分析等技术实现,并在功放输出端设计了一个低频及谐波抑制电路,可有效抑制低频振荡和提高谐波抑制度。实验结果表明,在28~31GHz范围内,小信号增益大于15dB,在28~29GHz范围内,饱和输出功率大于30dBm。 (5)研究了提高MMIC中传统CS/CG有源Balun宽带相位特性的方法,基于该方法设计完成了新颖的超宽带平衡式二倍频器芯片。该芯片由CS/CG Balun、两个FET倍频单元、分布式放大单元和两级共源放大器组成;实现了超过4个倍频程的倍频特性,并具有奇次谐波抑制功能。测试显示该倍频器芯片可工作在输入频率为1.5-25GHz的频带内。输出3dB带宽为4~42GHz,倍频增益大于0dB。


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