移相器與衰減器作為一種幅相控制器件,在微波電路中起著非常重要的作用,尤其是在相控陣?yán)走_與移動通信系統(tǒng)的收發(fā)組件中,它們通常同時出現(xiàn)用于實現(xiàn)信號的空間掃描。隨著單片微波集成電路的不斷發(fā)展,人們對體積小、重量輕、可靠性高、生產(chǎn)重復(fù)性高的微波器件的需求越來越多。本文基于單片微波集成電路技術(shù)設(shè)計了一款同時集成移相功能與衰減功能的芯片,該芯片包含6位數(shù)字移相器與6位數(shù)字衰減器。芯片的設(shè)計指標(biāo)為插入損耗小于17dB,輸入輸出駐波比小于2,64態(tài)相移均方根誤差小于5°,64態(tài)衰減均方根誤差小于0.6 dB。本文針對K波段六位數(shù)字移相器與衰減器進行了研究,基于0.25μm GaAs pHEMT工藝,采用ADS軟件完成了電路設(shè)計。介紹了移相器與衰減器的工作原理與常見的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以及不同結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)缺點。對電路中的有源器件pHEMT進行了開關(guān)特性分析,分析其對電路性能的影響,并對電路中用到的各種無源器件模型進行了分析。完成了6位移相器與6位衰減器單元電路的設(shè)計,5.625°移相單元采用并聯(lián)電感型結(jié)構(gòu),11.25°、22.5°、45°移相單元采用全通型結(jié)構(gòu),90°、180°移相單元采用高通低通型結(jié)構(gòu),6位衰減單元均采用T型衰減網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)設(shè)計,通過反復(fù)迭代的方法不斷優(yōu)化電路元件參數(shù),直至單級電路性能滿足設(shè)計指標(biāo)。將各個單級電路級聯(lián),在不同的級聯(lián)順序下對完整電路進行S參數(shù)分析,完成了級聯(lián)順序設(shè)計,并解決級間匹配的問題,在移相器與衰減器的各個性能指標(biāo)之間取得平衡,使芯片整體性能最佳。在ADS中完成了移相器與衰減器的版圖設(shè)計,并對版圖進行電磁場仿真,通過仿真結(jié)果分析完成版圖優(yōu)化。最終設(shè)計出的芯片版圖面積為6.5mm×1.1mm,版圖電磁場仿真結(jié)果表明,在28-32GHz頻帶范圍內(nèi),當(dāng)衰減置零時,64種移相狀態(tài)的插入損耗均小于16.3dB,64種移相狀態(tài)與64種衰減狀態(tài)的輸入輸出駐波比均小于1.87,64態(tài)移相均方根誤差為3.25°,64態(tài)衰減均方根誤差為0.27dB。移相64態(tài)插入損耗波動在±1.52dB之間,衰減64態(tài)附加相移在±24.2°之間。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN715;TN623
【部分圖文】：

傳輸線終端的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)一般有兩種類型，如圖 2.3 所示，圖 2.3(a)結(jié)構(gòu)為在傳輸線終端加一個由電容與電感構(gòu)成的反射網(wǎng)絡(luò)，通過并聯(lián)的開關(guān)來改變這個電抗網(wǎng)絡(luò)對主傳輸線引入的負(fù)載電抗；圖2.3(b)中的結(jié)構(gòu)是利用終端短路的傳輸線作為反射網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)反射網(wǎng)絡(luò)前的開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)時，信號在開關(guān)處直接反射，當(dāng)開關(guān)處于斷開狀態(tài)時，信號經(jīng)過傳輸線到達短路點反射，這種結(jié)構(gòu)的相移量為反射網(wǎng)絡(luò)中傳輸線電長度的 2 倍。圖2.3 反射型移相器結(jié)構(gòu)示意圖(a)電抗網(wǎng)絡(luò)型(b)短路傳輸線型移相器為二端口器件，為了將入射波與反射波分開，通常在電路中加入環(huán)形器或者定向耦合器[24]，定向耦合器可采用 3dB 電橋、蘭格耦合器等不同的形式。由于信號在反射支路中傳播了兩次，因此要實現(xiàn)同樣的相移量所需要的傳輸線長度差僅為采用開關(guān)線型結(jié)構(gòu)傳輸線長度差的一半。目前常見的反射型移相器有環(huán)形器式和 3dB 電橋式兩種形式。環(huán)形器式移相器結(jié)構(gòu)如圖 2.4 所示，入射波從 1 端口輸入

并且在大衰減量情況下，通過調(diào)整兩條支路的電長度，可以將兩種狀態(tài)下的附加相移控制在很小的范圍內(nèi)。圖2.7 開關(guān)型衰減結(jié)構(gòu)示意圖2.2.2 T 型衰減器T 型衰減器是最常見的一種衰減結(jié)構(gòu)，由三個電阻元件與兩個開關(guān)元件構(gòu)成，電路結(jié)構(gòu)如圖 2.8 所示，通常采用 FET 作為開關(guān)。當(dāng) M1 處于導(dǎo)通狀態(tài)、M2 處于截止?fàn)顟B(tài)時，信號直接通過 M1 到達輸出端口，衰減器處于參考狀態(tài)。當(dāng) M1 處于截止?fàn)顟B(tài)、M2 處于導(dǎo)通狀態(tài)時，信號通過 R1、R2、R3 構(gòu)成的 T 型衰減網(wǎng)絡(luò)到達輸出端口，衰減器處于衰減狀態(tài)。若 T 型衰減結(jié)構(gòu)的衰減量為 L，?

可采用 0.25μm 工藝。器中的開關(guān)是一種微波控制器件，開關(guān)在電路中的重要性衰減器能夠正常工作的基本保障。本設(shè)計中采電子遷移率晶體管）。T 的結(jié)構(gòu)與工作原理（高電子遷移率晶體管）演變而來的，傳統(tǒng) H料為非摻雜的 GaAs 層，pHEMT 將溝道材夾在未摻雜的 GaAs 層與摻雜的 AlGaAs 層中子遷移率，低噪聲、低功耗、高電流增益頻的有源電子元件[32]。
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本文編號：2852682