硅基Ka波段全射频相控阵发射机研究与设计

发布时间:2018-05-25 08:04

  本文选题:毫米波 + Ka波段 ; 参考:《华东师范大学》2017年硕士论文


【摘要】:近年来随着对高速通信的需求,毫米波通信引起了人们广泛的研究,其中Ka波段28GHz成为下一代移动通信5G的热门频段之一。然而高频信号在传播过程中会有大的损耗影响通信质量,相控阵技术因其具有大的天线增益和高的信噪比较好地解决了这一问题。本文基于IBM 0.13μm工艺设计了一款Ka波段全射频单通道和四通道相控阵发射机芯片,主要内容如下:(1)Ka-band 1:4 Wilkinson功分器的设计。它由三个1:2的无源Wilkinson功分器组成,每个无源Wilkinson功分器又由λ/4传输线和隔离电阻组成。设计过程中,ADS momentum工具用来对其进行电磁场仿真以获得S参数。经过仿真它的输入输出回波损耗在工作频段27.5-28.5GHz内分别小于-12dB和-20dB,插入损耗小于2.6dB,各通道之间的隔离度大于20dB。(2)4-bitKa-band相移器的设计。它是基于开关LC延时网络的相移原理,由22.5°bit、45°bWt、90°bit和180°bit相移器组成。经过仿真工作频段27.5-28:5GHz内相移器的大部分相移状态输入输出回波损耗都小于-10dB。在28GHz频率处损耗的平均值为-13.7dB,所有状态的损耗在平均值上下1.2dB内变化。损耗的方均根误差值在工作频段内小于1dB。方均根相位误差值在28GHz频率处为7°,在工作频段内小于9.3°。(3)Ka-band功率放大器的设计。它由两级cascode放大器级联而成,整体电路采用差分结构,输入输出由无源balun完成阻抗变换以及差分到单端的转换,级间匹配网络由电感电容组成。经过仿真28GHz频率处,PA的饱和输出功率达到18.4dBm,1dB压缩点输出功率达到13.4dBm,最大功率增益达到22dB,峰值和1dB压缩点处的PAE分别为16.6%和6%,三阶交调点输出功率为23.4dBm。(4)Ka-band单通道和四通道相控阵发射机的设计。单通道相控阵发射机由4bit相移器和功率放大器组成,四通道电路由四个单通道电路和一个1:4 Wilkinson功分器组成。经过仿真单通道电路的S11在工作频段27.5-28.5GHz内16种相移状态都小于-10dB,增益的平均值在28GHz处为9.2dB,方均根增益误差在工作频段内小于1dB,方均根相位误差在28GHz处为10°,在工作频段内小于10.3°。功率放大器饱和输出功率的平均值为17.9dBm,1dB压缩点输出功率的平均值为13.4dBm,最大功率附加效率的平均值为7.5%。对于四通道电路,各通道相移和增益曲线具有几乎一样的频率特性,各通道之间的隔离度在工作频段27.5-28.5GHz内大于48dB,每一通道的反向隔离度大于65dB。
[Abstract]:In recent years, with the demand of high-speed communication, millimeter-wave communication has been widely studied, among which Ka-band 28GHz has become one of the most popular frequency bands in the next generation mobile communication. However, the high frequency signal will have a large loss in the process of transmission, which is solved by phased array technology because of its large antenna gain and high signal-to-noise ratio (SNR). Based on IBM 0.13 渭 m process, a Ka-band all-RF single-channel and four-channel phased array transmitter chip is designed in this paper. The main contents are as follows: 1 ~ (-1) Ka-band 1:4 Wilkinson splitter. It consists of three 1:2 passive Wilkinson power dividers, each of which is composed of 位 / 4 transmission lines and isolation resistors. In the process of design, ads momentum tool is used to simulate electromagnetic field to obtain S parameters. The simulation results show that the input and output echo loss is less than -12dB and -20dB in 27.5-28.5GHz and the insertion loss is less than 2.6dB. the isolation of each channel is greater than that of 20dB.(2)4-bitKa-band phase shifter. It is based on the phase-shift principle of switched LC delay network and consists of 22.5 掳bit-45 掳BWT 90 掳bit and 180 掳bit phase shifter. Most of the phase shift states of the 27.5-28:5GHz internal phase shifter are less than -10 dB after simulation. The average loss at the 28GHz frequency is -13.7 dB, and the loss of all states varies within the average 1.2dB. The root mean square error of loss is less than 1 dB in the working frequency. The square root phase error is 7 掳at 28GHz frequency and less than 9.3 掳. It is composed of two stage cascode amplifier cascaded, the whole circuit adopts differential structure, the input and output is completed impedance transformation by passive balun and the difference to single terminal conversion. The interstage matching network is composed of inductance and capacitance. After simulation, the saturated output power of PA at 28GHz frequency reaches 18.4 dB compression point output power, the maximum power gain reaches 22 dB, the PAE at peak value and 1dB compression point is 16. 6% and 6, respectively, and the output power of third order intersecting point is 23.4dBm.(4)Ka-band single channel and four channels. The maximum power gain is 22 dB and the PAE at the peak value and 1dB compression point are 16. 6% and 6. 5% respectively. The output power of the third order intersecting point is 23.4dBm.(4)Ka-band single channel and four. Design of Channel phased Array transmitter. The single channel phased array transmitter is composed of 4bit phase shifter and power amplifier, and the four channel circuit is composed of four single channel circuits and one 1:4 Wilkinson power divider. The S11 phase shift states of the single channel circuit are all less than -10 dB in the operating frequency band 27.5-28.5GHz, the average gain is 9.2 dB at 28GHz, the square root gain error is less than 1 dB in the working frequency band, the square root mean phase error is 10 掳at the 28GHz and is less than 10.3 掳in the working frequency band. The average saturation output power of the power amplifier is 17.9dBm-1 dB the average output power of the compression point is 13.4dBmand the average value of the maximum power addition efficiency is 7.5dBm. For four-channel circuits, the phase shift and gain curves of each channel have almost the same frequency characteristics. The isolation degree of each channel is greater than 48 dB in the operating frequency band 27.5-28.5GHz, and the inverse isolation degree of each channel is more than 65 dB.
【学位授予单位】:华东师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN838

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本文编号:1932705

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