面向射频移相架构相控阵系统的硅基移相器研究

发布时间：2020-10-13 13:29

　　 相控阵技术由于可以通过信号相加提高信噪比,并具有波束成形和波束扫描的功能,已经成为目前的研究热点。相控阵系统根据移相器所处在系统中的位置,可以分为射频移相架构的相控阵系统、本振移相架构的相控阵系统和数字移相架构的相控阵系统。其中射频移相架构的相控阵系统在功耗、体积等方面占有优势,再加上硅工艺在成本、体积、功耗方面的技术优势,结合民用市场对电子设备低成本、小体积、低功耗等方面的要求,硅基射频移相架构的相控阵系统将成为民用市场的主流选择。射频移相器作为射频移相架构相控阵系统中最关键的模块,通过改变接收通道或者发射通道电磁波的相位来实现波束成形和波束扫描,其性能对整个相控阵系统的整体性能有着重要影响。硅基射频移相器的研究对相控阵系统及其应用有着重要意义。本文基于硅工艺,对于面向射频移相架构相控阵系统应用的射频移相器电路进行了较为深入的研究和设计,其中主要的研究成果和创新有:分析了射频移相器性能指标对相控阵系统的波束扫描步进、波束指向、旁瓣抑制比、信噪比的影响,明确了射频移相器三个最关键的指标为移相位数、移相精度和增益误差,同时这三个指标也作为本论文射频移相器设计与优化的方向。详细讨论了硅基射频移相器实现的结构以及国内外研究的热点和成果,并分析了不同结构移相器的特点,重点讨论了有源移相器移相精度与正交信号相位误差和幅度误差的关系,为有源移相器的设计及优化提供理论指导。分析和研究了有源移相器中三个关键的模块:输入有源巴伦,正交信号发生器和电流阵列发生器。对于输入有源巴伦,基于JAZZ 0.18μm SiGe工艺,提出了一个工作于2-22GHz的超宽带有源巴伦,相位不平衡小于0.8°,幅度不平衡小于0.26dB。对于正交信号发生器,提出了利用矩阵对任意n级PPF产生的信号进行理论分析的方法,对于PPF正交信号发生器的设计与优化提供了理论指导。对于电流阵列发生器,提出了面向高精度有源移相器电流阵列综合的理论分析方法,并在此基础上综合出了面向六位高精度移相器应用的电流阵列发生器。针对毫米波以下频段的移相器,设计了三款有源数控移相器,分别为两款工作于5-20GHz的超宽带五位有源数控移相器和一款工作X波段的宽带六位有源数控移相器。对于两款超宽带五位有源数控移相器,研究了 bipolar和CMOS在模拟加法器中作为放大管对移相误差的影响并通过后仿真加以验证,结果显示bipolar作为放大管时移相误差对电流阵列的误差更敏感。对于X波段的宽带六位有源数控移相器,详细论述了电路设计和优化方法,并探讨了在输入端加入噪声相消的放大器来提高移相器噪声性能的方法,并通过后仿真加以了验证。针对毫米波移相器,在讨论无源结构和有源结构毫米波移相器优缺点的基础上,提出了一种实现毫米波六位数控移相器的新结构,该结构采用无源、有源混合结构,结合了无源结构可以实现小步进移相的优点和有源结构占用面积小的优点。基于TSMC40nmCMOS7X1Z1U工艺,结合电磁仿真的方法,对毫米波移相器加以实现,并对电路的在片测试方法进行了详述,对测试结果进行了分析讨论。测试结果显示,该毫米波移相器在52-57GHz频率范围内移相精度小于3.76°(52-55GHz频率范围内小于2.8°),增益均方差小于2.23dB,核心面积为0.15mm2。总体来说性能优良,在实现了高精度移相器的同时,占用面积很小,具有很好的创新性和参考性。本文较为详细的论述了硅基移相器的设计与优化方法,通过具体的实例从理论、设计以及测试等方面详述了硅基移相器的设计工作,工作频率涵盖毫米波以下频段和毫米波频段,为移相器的设计提供了重要的理论指导和设计思路。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN623
【部分图文】：

Ｌｏｎｇ?ＲａｎｇＴ?７７ＧＨｚ?￣１ＧＨｚ?ＦＭＣＷ?１６￣?１５０ｍ?－１ｍ?ＡＣＣ??图１．１汽车防撞雷达协议Ｍ??下的频谱资源非常拥挤，而毫米波频段则有着大量连续的的频谱资源。毫米波宽带的??频谱资源和相控阵技术是满足ＩｏＴ通信需求的有效方式。相控阵技术可以通过多波束??让不同区域的用户使用相同的频率、时间和编码等资源，即空分多址（ＳｐａｃｅＤｉｖｉｓｉｏｎ??Ｍｕｌｔｉｐｌｅ?Ａｃｃｅｓｓ，?ＳＤＭＡ）技术，这将大大提高频谱资源的使用效率和通信速率［７６］。??除此之外，相控阵技术用于ＩｏＴ通信还有以下几个优点：（１）增加通信距离和覆盖范??Ｕｓｅｒ?ｏｎｅ??Ｕｓｅｒ?ｔｗｏ??、心：零，??Ｆｉｘｅｄ?愚??图１．２基站向特定用户发射功率Ｗ??３??

图１．１汽车防撞雷达协议Ｍ??

相控阵系统分为三类：（１）射频移相架构的相控阵系统；（２）本振移相架构的相控阵??系统；（３）数字移相架构的相控阵系统。??一个典型的射频移相架构的接收机如图１．３所示，在这种结构里，主要特点是信??号的移相和相加在射频域完成。相加后的射频信号经过混频器下混频至基带，基带信??号的频率由接收机的类型决定。这种架构因为具有对强干扰信号的抑制能力，所以是??目前采用最广泛的结构［７Ｍ６］。当一个强干扰信号和一个微弱的有用信号同时到达射频??移相架构的相控阵接收机天线时，可以通过控制移相器让接收机方向图的零点对准强??干扰的方向，从而在混频器之前抵消掉强干扰信号，这就大大降低了系统对混频器和??它后面模块动态范围的要求。射频移相架构的相控阵系统主要有两个挑战。第一，硅??基射频移相器的设计非常有挑战性，由于硅基工艺衬底损耗和寄生特性不像ＩＩＩ－Ｖ族??那么好，对射频移相器的性能影响很大。第二，射频可变增益放大器的设计同样具有??挑战性
【参考文献】

相关硕士学位论文 前1条

1 赵海存;道路交通事故数据统计分析系统研究[D];长安大学;2005年

本文编号：2839230