采用CMOS工艺的C波段6位数字移相器的研究与设计

发布时间：2020-05-25 21:14

【摘要】：T/R组件作为相控阵雷达系统的核心部件,如何提高其性能已成为通信领域研究的热点。数字移相器作为T/R组件重要的组成部分,其性能直接影响着组件及相控阵系统性能的好坏。传统的无源结构移相器通常采用III-V族化合物半导体材料实现,较大的面积和较高的成本始终制约着其在相控阵系统中的集成。而随着集成电路技术的不断发展以及设计水平的不断提高,硅基CMOS晶体管的特征频率已经可以满足射频集成电路的需求。硅基工艺集成度高,成本低等优点可以有效地解决化合物半导体材料移相器难以集成的问题,使得相控阵收发芯片高性能、高集成度与低成本的需求得以实现。在此背景下,本文设计了一款采用SMIC 0.13μm RF CMOS工艺的五位有源数字移相器,主要取得了以下研究成果:1.根据矢量合成的工作原理,对构成矢量调制型移相器的两个关键单元正交信号发生器和模拟加法器,分别进行了理论研究与拓扑分析。其中,采用正交全通滤波器实现正交信号发生器,采用两路吉尔伯特单元实现模拟加法器。2.设计了一款堆叠拓扑结构的片上巴伦,该巴伦具有低损耗、高差分端口对称性、小尺寸等优点。电磁场仿真结果显示,差分端口信号相位差小于6°,插入损耗2.33dB,插入损耗误差小于0.6dB,面积314μm*126μm。3.基于正交全通滤波器、两路吉尔伯特单元模拟加法器和堆叠结构的片上巴伦,成功设计了一款C波段5位矢量调制型数字移相器。ADS与Cadence软件联合仿真结果显示,在4.5~7.5GHz频段内,该移相器实现了32个相态的移相功能,最小移相位11.25°,插入损耗(IL)-8.5dB~-11.7dB,输入回波损耗(S11)优于-10.6dB,输出回波损耗(S22)优于-9.9dB,RMS相位精度误差低于3.5°,RMS插入损耗波动优于1.3dB,静态功耗14.11mW,芯片面积为1.66×0.74mm~2。在相同的移相位数和精度下,本论文所设计的矢量调制型移相器芯片在功耗和面积方面具有明显的优势。
【图文】：

兰州交通大学工程硕士学位论文波移相器及其应用年来，随着相控阵雷达、通信系统以及微波测量技术等领域对微波控制电强烈，微波控制电路得到了快速发展，至今出现了大量各种类型的微波控信号传输路径的微波开关、改变信号幅度的幅度调制器以及改变信号相位制电路，这些控制电路在微波技术的多个领域中起着至关重要作用。移相类用于控制和改变电磁波相位的控制电路，在卫星通信和相控阵等需对相系统中至关重要[1]。

采用 CMOS 工艺的 C 波段 6 位数字移相器的研究与设计间滤波器，它接收或发射指定方向的信号，并抑制其他所有方向方向性来提高频谱效率[4]。如图 1.1 显示了接收组件接收指定方此在相同的系统带宽下，可以接收和传输较高数据率的信号。是相控阵雷达系统中实现相位控制功能的重要组成单元[5]。相控每一个天线单元后都接有一个射频前端，即发射/接收（T/R）组件/发射组件作为相控阵雷达的核心部件，，其设计成败依赖于其中的开关等微波控制电路单元的性能指标[3, 6]。而移相器作为 T/R 组元件，其移项精度决定了 T/R 组件能否准确的实现对相位的控制确定位[7]。
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN623;TN432

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