基于SiGe BiCMOS工艺的微波多功能芯片关键技术研究

发布时间：2020-04-25 12:17

【摘要】：相控阵技术已广泛应用于人造卫星、机载雷达和弹道导弹等军事领域。幅相多功能芯片是相控阵前端的核心部件。芯片对于系统的波束扫描精度、发射功率、接收灵敏度等指标起到了决定性的作用。传统的多功能芯片采用GaAs工艺实现,但砷化镓材料无法与硅基工艺的数控、模拟电路兼容,且加工费用高昂,难以满足现代化应用中低成本的需求。由于有源相控阵前端每个孔径都由上千甚至上万个元件组成,因此低成本、高集成度的硅基工艺将成为满足相控阵系统小型化、一体化、低功耗、高可靠性的首选技术,也是目前国内外的发展趋势。本研究基于GF 0.13μm SiGe BiCMOS工艺,为解决多功能芯片在毫米波频段多通道集成的难题,针对片内各子模块的关键技术展开研究,设计了一款应用于相控阵系统的Ka波段四通道多功能芯片,主要工作内容如下:1.针对整个系统链路在32~40GHz全频段内增益陡降的问题,在片内采用增益均衡技术对增益补偿放大器进行频率补偿。同时,基于电路模型进行理论分析,采用提升增益的“Gain-Boosting”技术与Cascode结构相结合,使放大器在毫米波频段仍能保持较高增益。该增益补偿放大器在频带内增益为9.5~11.5dB,可提供约2dB的正斜率增益曲线,其频率补偿作用使得整个系统具有良好的增益平坦度,仿真结果显示:单通道发射增益为17.7~19.6dB,接收增益为18.8~21.5dB。2.为了兼顾最大增益和最小噪声系数,采用感性源极退化技术设计了链路中的低噪放。对影响片上低噪声放大器噪声系数的关键因素进行了分析,在版图中采用自定制高Q值电感,进一步优化噪声系数。仿真结果显示,在32~40GHz内噪声系数小于3.3dB,增益大于9.8dB。3.针对传统移相单元(高低通结构)插损高、不利于小型化的问题,基于等效电路模型对T型和Pi型移相结构进行了理论分析,根据不同移相结构的特点,合理使用T型、Pi型和高低通结构的组合,解决了无源移相器在毫米波频段移相精度低、插损高、面积大的难题,设计了具有低移相RMS误差的高精度七位数控移相器。七位移相器在Ka波段的插损小于18dB,移相均方根(RMS)误差小于3°。4.针对四通道芯片数模混合电路与射频电路集成的难题,对整个芯片链路进行了系统性的考虑与分析,包括指标分解、芯片布局、供电方案与隔离措施。完成了基于SiGe工艺的Ka波段四通道多功能芯片的模拟、数字、射频功能全集成。
【图文】：

Ka波段单通道多功能芯片系统框图

基于SiGe BiCMOS工艺的微波多功能芯片关键技术研究

Ka波段四通道多功能芯片系统框图
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN40

【参考文献】