【摘 要】
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相控阵技术是近轨通信卫星,火控/气象雷达,以及一些导弹姿态控制系统中十分重要的一部分。随着通信行业的发展,第五代移动通信系统(5G)将于2020年实现大规模商业化,毫米波频段已经成为热门频段之一,然而毫米波频段信号在空气中传输损耗更大,也就更加需要相控阵系统补偿大气损耗所带来的高传播衰减。而具有幅相控制功能的多功能芯片直接影响了相控阵系统的性能。初期的多功能芯片基本采用III-V族化合物工艺实现,
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相控阵技术是近轨通信卫星,火控/气象雷达,以及一些导弹姿态控制系统中十分重要的一部分。随着通信行业的发展,第五代移动通信系统(5G)将于2020年实现大规模商业化,毫米波频段已经成为热门频段之一,然而毫米波频段信号在空气中传输损耗更大,也就更加需要相控阵系统补偿大气损耗所带来的高传播衰减。而具有幅相控制功能的多功能芯片直接影响了相控阵系统的性能。初期的多功能芯片基本采用III-V族化合物工艺实现,III-V族化合物工艺具有电子迁移率高、漂移速度快、禁带宽等优点,但它价格昂贵且无法与基带/数控芯片集成,从而导致系统集成度降低。而Si与SiGe工艺价格低廉,且可以集成基带与数字部分,并同时满足低成本与高集成度的要求,随着工艺的进步高频性能也逐渐得以改善,足以满足应用需求。故采用硅基工艺设计多功能芯片是目前国内外的一个发展趋势。本文基于硅基工艺对工作于Ka波段的差分移相器进行了深入研究,并对Ka波段多功能芯片系统内部模块做了一定的优化设计,具体工作如下:1.为了抑制信号传输过程中的共模干扰,并降低射频地寄生参数对移相器性能影响,设计了一款差分结构移相器。针对传统的高低通式移相器结构插损高,集成度低等缺点,对嵌入式开关移相器(T型)结构进行了建模分析。根据各个结构的特点将其应用于各个移相单元。其中180°移相结构采取了差分信号变换结构,利用差分信号180°的相位差,减小了该移相单元的面积与插损,最终使移相器实现了精度高,插损低,面积小等优点。六位差分移相器的测试结果为:插入损耗小于9.1dB,移相均方根误差小于6°,各端口驻波<1.5,附加衰减<±1.3dB。2.针对多功能芯片对开关切换速度的要求,设计了一款多功能芯片系统中的单刀双掷开关,采取了FET晶体管的串并联结构,并对单电感匹配枝节进行了建模分析。仿真结果表明:开关的插损<2.7dB,隔离度>22dB,开关切换时间<3.8ns。3.针对系统链路中晶体管增益滚降与无源器件Q值降低的情况,对放大器匹配过程中采取了低频失配的手段,达到了正斜率增益的效果;并针对放大器高低温增益误差大的现象,利用了PTAT电压源作为放大器的偏置,从而获得了较低的高低温增益误差。在32GHz-38GHz的频带内,该放大器的增益>15dB,并提供1.5dB至2.5dB的正斜率增益曲线,从而使得系统链路的增益平坦度较好,输出1dB压缩点大于7dBm,且高低温增益误差仅有2.5dB。
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