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_(dá)與移動(dòng)通信系統(tǒng)的收發(fā)組件中,它們通常同時(shí)出現(xiàn)用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的空間掃描。隨著單片微波集成電路的不斷發(fā)展,人們對(duì)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(lái)越多。本文基于單片微波集成電路技術(shù)設(shè)計(jì)了一款同時(shí)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(jì)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(duì)K波段六位數(shù)字移相器與衰減器進(jìn)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(jì)。介紹了移相器與衰減器的工作原理與常見(jiàn)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(diǎn)。對(duì)電路中的有源器件pHEMT進(jìn)行了開(kāi)關(guān)特性分析,分析其對(duì)電路性能的影響,并對(duì)電路中用到的各種無(wú)源器件模型進(jìn)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(jì),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(jí)聯(lián)設(shè)計(jì),通過(guò)反復(fù)迭代的方法不斷優(yōu)化電路元件參數(shù),直至單級(jí)電路性能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。將各個(gè)單級(jí)電路級(jí)聯(lián),在不同的級(jí)聯(lián)順序下對(duì)完整電路進(jìn)行S參數(shù)分析,完成了級(jí)聯(lián)順序設(shè)計(jì),并解決級(jí)間匹配的問(wèn)題,在移相器與衰減器的各個(gè)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(jì),并對(duì)版圖進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真,通過(guò)仿真結(jié)果分析完成版圖優(yōu)化。最終設(shè)計(jì)出的芯片版圖面積為6.5mm×1.1mm,版圖電磁場(chǎng)仿真結(jié)果表明,在28-32GHz頻帶范圍內(nèi),當(dāng)衰減置零時(shí),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(dòng)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：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(lèi)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(gè)由電容與電感構(gòu)成的反射網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)并聯(lián)的開(kāi)關(guān)來(lái)改變這個(gè)電抗網(wǎng)絡(luò)對(duì)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(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，信號(hào)在開(kāi)關(guān)處直接反射，當(dāng)開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸線到達(dá)短路點(diǎn)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(zhǎng)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(kāi)，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(hào)在反射支路中傳播了兩次，因此要實(shí)現(xiàn)同樣的相移量所需要的傳輸線長(zhǎng)度差僅為采用開(kāi)關(guān)線型結(jié)構(gòu)傳輸線長(zhǎng)度差的一半。目前常見(jiàn)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(guò)調(diào)整兩條支路的電長(zhǎng)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(kāi)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(jiàn)的一種衰減結(jié)構(gòu)，由三個(gè)電阻元件與兩個(gè)開(kāi)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(kāi)關(guān)。當(dāng) M1 處于導(dǎo)通狀態(tài)、M2 處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，信號(hào)直接通過(guò) M1 到達(dá)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(shí)，信號(hào)通過(guò) R1、R2、R3 構(gòu)成的 T 型衰減網(wǎng)絡(luò)到達(dá)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(kāi)關(guān)是一種微波控制器件，開(kāi)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(jì)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(lái)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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