相控陣技術(shù)由于可以通過信號(hào)相加提高信噪比,并具有波束成形和波束掃描的功能,已經(jīng)成為目前的研究熱點(diǎn)。相控陣系統(tǒng)根據(jù)移相器所處在系統(tǒng)中的位置,可以分為射頻移相架構(gòu)的相控陣系統(tǒng)、本振移相架構(gòu)的相控陣系統(tǒng)和數(shù)字移相架構(gòu)的相控陣系統(tǒng)。其中射頻移相架構(gòu)的相控陣系統(tǒng)在功耗、體積等方面占有優(yōu)勢(shì),再加上硅工藝在成本、體積、功耗方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì),結(jié)合民用市場(chǎng)對(duì)電子設(shè)備低成本、小體積、低功耗等方面的要求,硅基射頻移相架構(gòu)的相控陣系統(tǒng)將成為民用市場(chǎng)的主流選擇。射頻移相器作為射頻移相架構(gòu)相控陣系統(tǒng)中最關(guān)鍵的模塊,通過改變接收通道或者發(fā)射通道電磁波的相位來實(shí)現(xiàn)波束成形和波束掃描,其性能對(duì)整個(gè)相控陣系統(tǒng)的整體性能有著重要影響。硅基射頻移相器的研究對(duì)相控陣系統(tǒng)及其應(yīng)用有著重要意義。本文基于硅工藝,對(duì)于面向射頻移相架構(gòu)相控陣系統(tǒng)應(yīng)用的射頻移相器電路進(jìn)行了較為深入的研究和設(shè)計(jì),其中主要的研究成果和創(chuàng)新有:分析了射頻移相器性能指標(biāo)對(duì)相控陣系統(tǒng)的波束掃描步進(jìn)、波束指向、旁瓣抑制比、信噪比的影響,明確了射頻移相器三個(gè)最關(guān)鍵的指標(biāo)為移相位數(shù)、移相精度和增益誤差,同時(shí)這三個(gè)指標(biāo)也作為本論文射頻移相器設(shè)計(jì)與優(yōu)化的方向。詳細(xì)討論了硅基射頻移相器實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)以及國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和成果,并分析了不同結(jié)構(gòu)移相器的特點(diǎn),重點(diǎn)討論了有源移相器移相精度與正交信號(hào)相位誤差和幅度誤差的關(guān)系,為有源移相器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。分析和研究了有源移相器中三個(gè)關(guān)鍵的模塊:輸入有源巴倫,正交信號(hào)發(fā)生器和電流陣列發(fā)生器。對(duì)于輸入有源巴倫,基于JAZZ 0.18μm SiGe工藝,提出了一個(gè)工作于2-22GHz的超寬帶有源巴倫,相位不平衡小于0.8°,幅度不平衡小于0.26dB。對(duì)于正交信號(hào)發(fā)生器,提出了利用矩陣對(duì)任意n級(jí)PPF產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行理論分析的方法,對(duì)于PPF正交信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)。對(duì)于電流陣列發(fā)生器,提出了面向高精度有源移相器電流陣列綜合的理論分析方法,并在此基礎(chǔ)上綜合出了面向六位高精度移相器應(yīng)用的電流陣列發(fā)生器。針對(duì)毫米波以下頻段的移相器,設(shè)計(jì)了三款有源數(shù)控移相器,分別為兩款工作于5-20GHz的超寬帶五位有源數(shù)控移相器和一款工作X波段的寬帶六位有源數(shù)控移相器。對(duì)于兩款超寬帶五位有源數(shù)控移相器,研究了 bipolar和CMOS在模擬加法器中作為放大管對(duì)移相誤差的影響并通過后仿真加以驗(yàn)證,結(jié)果顯示bipolar作為放大管時(shí)移相誤差對(duì)電流陣列的誤差更敏感。對(duì)于X波段的寬帶六位有源數(shù)控移相器,詳細(xì)論述了電路設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法,并探討了在輸入端加入噪聲相消的放大器來提高移相器噪聲性能的方法,并通過后仿真加以了驗(yàn)證。針對(duì)毫米波移相器,在討論無源結(jié)構(gòu)和有源結(jié)構(gòu)毫米波移相器優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出了一種實(shí)現(xiàn)毫米波六位數(shù)控移相器的新結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)采用無源、有源混合結(jié)構(gòu),結(jié)合了無源結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)小步進(jìn)移相的優(yōu)點(diǎn)和有源結(jié)構(gòu)占用面積小的優(yōu)點(diǎn)。基于TSMC40nmCMOS7X1Z1U工藝,結(jié)合電磁仿真的方法,對(duì)毫米波移相器加以實(shí)現(xiàn),并對(duì)電路的在片測(cè)試方法進(jìn)行了詳述,對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析討論。測(cè)試結(jié)果顯示,該毫米波移相器在52-57GHz頻率范圍內(nèi)移相精度小于3.76°(52-55GHz頻率范圍內(nèi)小于2.8°),增益均方差小于2.23dB,核心面積為0.15mm2�？傮w來說性能優(yōu)良,在實(shí)現(xiàn)了高精度移相器的同時(shí),占用面積很小,具有很好的創(chuàng)新性和參考性。本文較為詳細(xì)的論述了硅基移相器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法,通過具體的實(shí)例從理論、設(shè)計(jì)以及測(cè)試等方面詳述了硅基移相器的設(shè)計(jì)工作,工作頻率涵蓋毫米波以下頻段和毫米波頻段,為移相器的設(shè)計(jì)提供了重要的理論指導(dǎo)和設(shè)計(jì)思路。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN623
【部分圖文】：

Ｌｏｎｇ?ＲａｎｇＴ?７７ＧＨｚ?￣１ＧＨｚ?ＦＭＣＷ?１６￣?１５０ｍ?－１ｍ?ＡＣＣ??圖１．１汽車防撞雷達(dá)協(xié)議Ｍ??下的頻譜資源非常擁擠，而毫米波頻段則有著大量連續(xù)的的頻譜資源。毫米波寬帶的??頻譜資源和相控陣技術(shù)是滿足ＩｏＴ通信需求的有效方式。相控陣技術(shù)可以通過多波束??讓不同區(qū)域的用戶使用相同的頻率、時(shí)間和編碼等資源，即空分多址（ＳｐａｃｅＤｉｖｉｓｉｏｎ??Ｍｕｌｔｉｐｌｅ?Ａｃｃｅｓｓ，?ＳＤＭＡ）技術(shù)，這將大大提高頻譜資源的使用效率和通信速率［７６］。??除此之外，相控陣技術(shù)用于ＩｏＴ通信還有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（１）增加通信距離和覆蓋范??Ｕｓｅｒ?ｏｎｅ??Ｕｓｅｒ?ｔｗｏ??、心：零，??Ｆｉｘｅｄ?愚??圖１．２基站向特定用戶發(fā)射功率Ｗ??３??

圖１．１汽車防撞雷達(dá)協(xié)議Ｍ??

相控陣系統(tǒng)分為三類：（１）射頻移相架構(gòu)的相控陣系統(tǒng)；（２）本振移相架構(gòu)的相控陣??系統(tǒng)；（３）數(shù)字移相架構(gòu)的相控陣系統(tǒng)。??一個(gè)典型的射頻移相架構(gòu)的接收機(jī)如圖１．３所示，在這種結(jié)構(gòu)里，主要特點(diǎn)是信??號(hào)的移相和相加在射頻域完成。相加后的射頻信號(hào)經(jīng)過混頻器下混頻至基帶，基帶信??號(hào)的頻率由接收機(jī)的類型決定。這種架構(gòu)因?yàn)榫哂袑?duì)強(qiáng)干擾信號(hào)的抑制能力，所以是??目前采用最廣泛的結(jié)構(gòu)［７Ｍ６］。當(dāng)一個(gè)強(qiáng)干擾信號(hào)和一個(gè)微弱的有用信號(hào)同時(shí)到達(dá)射頻??移相架構(gòu)的相控陣接收機(jī)天線時(shí)，可以通過控制移相器讓接收機(jī)方向圖的零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)強(qiáng)??干擾的方向，從而在混頻器之前抵消掉強(qiáng)干擾信號(hào)，這就大大降低了系統(tǒng)對(duì)混頻器和??它后面模塊動(dòng)態(tài)范圍的要求。射頻移相架構(gòu)的相控陣系統(tǒng)主要有兩個(gè)挑戰(zhàn)。第一，硅??基射頻移相器的設(shè)計(jì)非常有挑戰(zhàn)性，由于硅基工藝襯底損耗和寄生特性不像ＩＩＩ－Ｖ族??那么好，對(duì)射頻移相器的性能影響很大。第二，射頻可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑O(shè)計(jì)同樣具有??挑戰(zhàn)性
【參考文獻(xiàn)】

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1 趙海存;道路交通事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)研究[D];長(zhǎng)安大學(xué);2005年

本文編號(hào)：2839230