基于SiGe BiCMOS工藝的微波多功能芯片關(guān)鍵技術(shù)研究

發(fā)布時(shí)間：2020-04-25 12:17

【摘要】：相控陣技術(shù)已廣泛應(yīng)用于人造衛(wèi)星、機(jī)載雷達(dá)和彈道導(dǎo)彈等軍事領(lǐng)域。幅相多功能芯片是相控陣前端的核心部件。芯片對(duì)于系統(tǒng)的波束掃描精度、發(fā)射功率、接收靈敏度等指標(biāo)起到了決定性的作用。傳統(tǒng)的多功能芯片采用GaAs工藝實(shí)現(xiàn),但砷化鎵材料無法與硅基工藝的數(shù)控、模擬電路兼容,且加工費(fèi)用高昂,難以滿足現(xiàn)代化應(yīng)用中低成本的需求。由于有源相控陣前端每個(gè)孔徑都由上千甚至上萬個(gè)元件組成,因此低成本、高集成度的硅基工藝將成為滿足相控陣系統(tǒng)小型化、一體化、低功耗、高可靠性的首選技術(shù),也是目前國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)。本研究基于GF 0.13μm SiGe BiCMOS工藝,為解決多功能芯片在毫米波頻段多通道集成的難題,針對(duì)片內(nèi)各子模塊的關(guān)鍵技術(shù)展開研究,設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于相控陣系統(tǒng)的Ka波段四通道多功能芯片,主要工作內(nèi)容如下:1.針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)鏈路在32~40GHz全頻段內(nèi)增益陡降的問題,在片內(nèi)采用增益均衡技術(shù)對(duì)增益補(bǔ)償放大器進(jìn)行頻率補(bǔ)償。同時(shí),基于電路模型進(jìn)行理論分析,采用提升增益的“Gain-Boosting”技術(shù)與Cascode結(jié)構(gòu)相結(jié)合,使放大器在毫米波頻段仍能保持較高增益。該增益補(bǔ)償放大器在頻帶內(nèi)增益為9.5~11.5dB,可提供約2dB的正斜率增益曲線,其頻率補(bǔ)償作用使得整個(gè)系統(tǒng)具有良好的增益平坦度,仿真結(jié)果顯示:單通道發(fā)射增益為17.7~19.6dB,接收增益為18.8~21.5dB。2.為了兼顧最大增益和最小噪聲系數(shù),采用感性源極退化技術(shù)設(shè)計(jì)了鏈路中的低噪放。對(duì)影響片上低噪聲放大器噪聲系數(shù)的關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析,在版圖中采用自定制高Q值電感,進(jìn)一步優(yōu)化噪聲系數(shù)。仿真結(jié)果顯示,在32~40GHz內(nèi)噪聲系數(shù)小于3.3dB,增益大于9.8dB。3.針對(duì)傳統(tǒng)移相單元(高低通結(jié)構(gòu))插損高、不利于小型化的問題,基于等效電路模型對(duì)T型和Pi型移相結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析,根據(jù)不同移相結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),合理使用T型、Pi型和高低通結(jié)構(gòu)的組合,解決了無源移相器在毫米波頻段移相精度低、插損高、面積大的難題,設(shè)計(jì)了具有低移相RMS誤差的高精度七位數(shù)控移相器。七位移相器在Ka波段的插損小于18dB,移相均方根(RMS)誤差小于3°。4.針對(duì)四通道芯片數(shù)�；旌想娐放c射頻電路集成的難題,對(duì)整個(gè)芯片鏈路進(jìn)行了系統(tǒng)性的考慮與分析,包括指標(biāo)分解、芯片布局、供電方案與隔離措施。完成了基于SiGe工藝的Ka波段四通道多功能芯片的模擬、數(shù)字、射頻功能全集成。
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