微波电感与雷达电路的研究与设计

发布时间：2020-09-29 17:48

　　 雷达通信系统在目前的军事、安防定位等生活的各个方面都处于不可或缺的地位,随着无线通信以及集成电路的发展及多样化,高性能、高集成度的在片系统具有越来越大的吸引力,低噪声放大器处于雷达接收系统的第一级,其电路模块的增益、噪声系数及线性度对于整个雷达接收系统具有重要的影响。本文基于 Global Foundries 0.13um SiGe BiCMOS 工艺,针对在片的无源器件和有源电路进行了研究,并基于GSMC 0.13um CMOS工艺对LNA做了拓展研究,最后在PCB板级基于芯片对雷达电路进行了研究与分析。本文的主要研究工作与创新点如下:首先,设计了一种新型结构的电感,该电感与传统的平面电感相比,电感的面积显著减小,电感的自谐振频率从96GHz上升到99GHz和Qmax点对应的频率从36GHz升高到45GHz,即提高了电感的应用频率。在此基础上,较为全面的分析了影响电感性能的各种寄生效应,综合考虑了趋肤效应、邻近效应、衬底寄生的前提下,提出了一种新的电感等效电路模型,并且完成了参数提取及验证,得到结果一致性较好。其次,分析了传输线的电感特性,并且较为系统的定性定量的分析了绕线电感和传输线电感的特点,在综合考虑电感值、Q值及占用芯片面积的前提下,给出了传输线电感和绕线电感的各自优势应用频率范围。接着,基于 Global Foundries 0.13um SiGe BiCMOS 工艺设计了K-Band两级cascode共源极低噪声放大器,在24GHz处增益为27.3dB,噪声系数为3.8dB,输出ldB压缩点为-0.68dBm,除此之外,基于GSMC 0.13um CMOS 工艺完成了可工作于 C-Band(5.8GHz)和 X-Band(10.525GHz)的双频带 LNA,增益在 5.8GHz 处为 15.3dB,10.525GHz 处为 17.1dB,噪声系数在 5.8GHz 处为 3.37dB,10.525GHz处为3.68dB,输出1dB压缩点在5.8GHz处为-6.3dB,10.525GHz处为-6dBm。最后,基于ADF4158和BGT24MRT12两个芯片完成了 K-Band产生FMCW调频波(三角波、锯齿波、斜波)的锁相环频率合成器,并且完成了加工测试。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN402;TN957
【部分图文】：

逑图２－１电感定义图示逡逑如图２－１所示，其中，少是磁通量，Ｉ是流经导体线圈的电流，Ｂ是磁场强度，逡逑Ｓ是磁场穿过的横截面积，１是该截面的外周边线长度。士是导体的相对磁导率，逡逑抑是真空磁导率，Ｈ是磁场强度矢量。电感值是电感十分重要且直观的物理量，逡逑对于具体的应用场景，我们需要选择适当感值的电感。逡逑２．１．２邋Ｑ邋值逡逑品质因数（Ｑ值）是衡量储能元件的重要指标（也是表征该储能器件的理想逡逑性的重要指标，理想的储能器件其Ｑ值为无穷大）。储能元件主要包括存储电能逡逑的电容和存储磁能的电感，在正弦信号的作用下时，电感的品质因数定义为在一逡逑个周期内存储的能量与消耗能量的比值，即：逡逑一周期内平均存储的能量逦）逡逑＾邋一邋Ｗ—周期内平均消耗的能量逦＿逡逑其中，ｗ是正弦信号的频率，该定义为Ｑ值的一般定义，适用于电感、电容、ＬＣ逡逑谐振回路等。理想电感的品质因数为无穷大

逦（ｂ）逡逑图２－２只考虑电感寄生电阻的等效电路（ａ）串联（ｂ）并联逡逑的影响，对于电感而言，只考虑电感寄生损耗的前提下，如图２－２所示，我们经逡逑常用下式来计算电感的Ｑ值：逡逑Ｑ邋＝邋ｔ邋或＂＝告逦（２＿３）逡逑２．１．３自谐振频率逡逑由于高频时电感的一些寄生电容效应，使得电感在达到一定频率后会产生谐逡逑振，因此，我们首先讨论电感的寄生电容特性，电感的寄生电容包含两部分，一逡逑厂逦房逡逑／邋－—－－－…厂．．．．－．？－．逦逦逡逑ｓ＿＿逦NN＋逦＾逦Ｊ逡逑ｓ线圈与村底逦Ｚ逡逑＾逦寄生电容邋ｙ逡逑图２－３线圈与衬底的寄生电容逡逑部分是电感金属线圈与衬底之间的寄生电容，有时候会用较宽的线宽去减小电感逡逑的等效寄生电阻，以增加Ｑ值，但这样会引入较大的寄生电容，另一部分是金属逡逑线之间的耦合电容，每条并行的金属线之间都存在耦合电容，将其模型用集总元逡逑件来进行等效，图２－３为金属线与衬底之间的寄生电容分布图，图２－４为金属线逡逑圈之间的耦合电容分布图，在此基础上，将寄生电容等效电路给出如图２－５所示。逡逑综合考虑这两种电容效应

（ａ）逦（ｂ）逡逑图２－２只考虑电感寄生电阻的等效电路（ａ）串联（ｂ）并联逡逑的影响，对于电感而言，只考虑电感寄生损耗的前提下，如图２－２所示，我们经逡逑常用下式来计算电感的Ｑ值：逡逑Ｑ邋＝邋ｔ邋或＂＝告逦（２＿３）逡逑２．１．３自谐振频率逡逑由于高频时电感的一些寄生电容效应，使得电感在达到一定频率后会产生谐逡逑振，因此，我们首先讨论电感的寄生电容特性，电感的寄生电容包含两部分，一逡逑厂逦房逡逑／邋－—－－－…厂．．．．－．？－．逦逦逡逑ｓ＿＿逦NN＋逦＾逦Ｊ逡逑ｓ线圈与村底逦Ｚ逡逑＾逦寄生电容邋ｙ逡逑图２－３线圈与衬底的寄生电容逡逑部分是电感金属线圈与衬底之间的寄生电容，有时候会用较宽的线宽去减小电感逡逑的等效寄生电阻，以增加Ｑ值，但这样会引入较大的寄生电容，另一部分是金属逡逑线之间的耦合电容，每条并行的金属线之间都存在耦合电容，将其模型用集总元逡逑件来进行等效，图２－３为金属线与衬底之间的寄生电容分布图，图２－４为金属线逡逑圈之间的耦合电容分布图

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本文编号：2830054