K波段6位MMIC数字移相器与衰减器的设计

发布时间：2020-10-23 06:42

　　 移相器与衰减器作为一种幅相控制器件,在微波电路中起着非常重要的作用,尤其是在相控阵雷达与移动通信系统的收发组件中,它们通常同时出现用于实现信号的空间扫描。随着单片微波集成电路的不断发展,人们对体积小、重量轻、可靠性高、生产重复性高的微波器件的需求越来越多。本文基于单片微波集成电路技术设计了一款同时集成移相功能与衰减功能的芯片,该芯片包含6位数字移相器与6位数字衰减器。芯片的设计指标为插入损耗小于17dB,输入输出驻波比小于2,64态相移均方根误差小于5°,64态衰减均方根误差小于0.6 dB。本文针对K波段六位数字移相器与衰减器进行了研究,基于0.25μm GaAs pHEMT工艺,采用ADS软件完成了电路设计。介绍了移相器与衰减器的工作原理与常见的电路拓扑结构,以及不同结构各自的优缺点。对电路中的有源器件pHEMT进行了开关特性分析,分析其对电路性能的影响,并对电路中用到的各种无源器件模型进行了分析。完成了6位移相器与6位衰减器单元电路的设计,5.625°移相单元采用并联电感型结构,11.25°、22.5°、45°移相单元采用全通型结构,90°、180°移相单元采用高通低通型结构,6位衰减单元均采用T型衰减网络级联设计,通过反复迭代的方法不断优化电路元件参数,直至单级电路性能满足设计指标。将各个单级电路级联,在不同的级联顺序下对完整电路进行S参数分析,完成了级联顺序设计,并解决级间匹配的问题,在移相器与衰减器的各个性能指标之间取得平衡,使芯片整体性能最佳。在ADS中完成了移相器与衰减器的版图设计,并对版图进行电磁场仿真,通过仿真结果分析完成版图优化。最终设计出的芯片版图面积为6.5mm×1.1mm,版图电磁场仿真结果表明,在28-32GHz频带范围内,当衰减置零时,64种移相状态的插入损耗均小于16.3dB,64种移相状态与64种衰减状态的输入输出驻波比均小于1.87,64态移相均方根误差为3.25°,64态衰减均方根误差为0.27dB。移相64态插入损耗波动在±1.52dB之间,衰减64态附加相移在±24.2°之间。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN715;TN623
【部分图文】：

传输线终端的负载网络一般有两种类型，如图 2.3 所示，图 2.3(a)结构为在传输线终端加一个由电容与电感构成的反射网络，通过并联的开关来改变这个电抗网络对主传输线引入的负载电抗；图2.3(b)中的结构是利用终端短路的传输线作为反射网络，当反射网络前的开关处于导通状态时，信号在开关处直接反射，当开关处于断开状态时，信号经过传输线到达短路点反射，这种结构的相移量为反射网络中传输线电长度的 2 倍。图2.3 反射型移相器结构示意图(a)电抗网络型(b)短路传输线型移相器为二端口器件，为了将入射波与反射波分开，通常在电路中加入环形器或者定向耦合器[24]，定向耦合器可采用 3dB 电桥、兰格耦合器等不同的形式。由于信号在反射支路中传播了两次，因此要实现同样的相移量所需要的传输线长度差仅为采用开关线型结构传输线长度差的一半。目前常见的反射型移相器有环形器式和 3dB 电桥式两种形式。环形器式移相器结构如图 2.4 所示，入射波从 1 端口输入

并且在大衰减量情况下，通过调整两条支路的电长度，可以将两种状态下的附加相移控制在很小的范围内。图2.7 开关型衰减结构示意图2.2.2 T 型衰减器T 型衰减器是最常见的一种衰减结构，由三个电阻元件与两个开关元件构成，电路结构如图 2.8 所示，通常采用 FET 作为开关。当 M1 处于导通状态、M2 处于截止状态时，信号直接通过 M1 到达输出端口，衰减器处于参考状态。当 M1 处于截止状态、M2 处于导通状态时，信号通过 R1、R2、R3 构成的 T 型衰减网络到达输出端口，衰减器处于衰减状态。若 T 型衰减结构的衰减量为 L，?

可采用 0.25μm 工艺。器中的开关是一种微波控制器件，开关在电路中的重要性衰减器能够正常工作的基本保障。本设计中采电子迁移率晶体管）。T 的结构与工作原理（高电子迁移率晶体管）演变而来的，传统 H料为非掺杂的 GaAs 层，pHEMT 将沟道材夹在未掺杂的 GaAs 层与掺杂的 AlGaAs 层中子迁移率，低噪声、低功耗、高电流增益频的有源电子元件[32]。
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本文编号：2852682