移相器(PhaseShifter)是一种控制信号相位变化的控制元件,在相控阵天线系统中扮演着重要角色。相控阵天线利用电子扫描方式具有快速波束赋形的特点,从而使得相控阵雷达具有稳定跟踪多批高速机动目标的能力。近年来,随着IoT、大数据、AI技术的发展,6G时代已悄然起航。无线通信、相控阵、射频收发等技术正在经历又一轮的技术革新,移相器作为其中的关键模块,也在不断地向纵深发展。为此,本论文基于TSMC65nmCMOS工艺,对面向毫米波相控阵的移相器电路展开研究,主要工作和研究成果如下:1.详细分析了反射型、开关型、延时型、矢量合成型移相器的实现原理,结构特点,以及国内外的研究现状和主要成果,重点讨论了射频移相架构、本振移相架构、中频移相架构、数字移相架构的优缺点,明确了硅基射频移相架构下矢量合成型移相器的技术优势。认真研究了矢量合成型毫米波有源移相器设计中的两个关键模块电路:正交信号发生器和可变增益放大器。分别对他们的实现原理,结构特点,以及国内外的研究现状和主要成果进行了总结,同步给出了他们的关键理论分析。上述研究内容为毫米波有源移相器的设计和优化提供技术铺垫和理论预备。2.设计了一款具有高正交精度的正交信号发生器电路。具体来说,在共源放大级引入电感与其栅漏寄生电容谐振,从而在宽频带范围内提高正交信号发生器的正交精度。在整个Ka波段实现相位失配0.02°-2.5°,幅度失配0.7-1.25dB。此外,用3×4的晶体管阵列构造等效Cascode放大结构设计了一款数控可变增益放大器电路。具体来说,共源共栅管用3×4的晶体管阵列等效,阵列中晶体管的栅极分别通过数字开关连接至VDD或者GND,通过可编程数字控制信号打开或者关闭其中的部分晶体管来改变整个电路的等效跨导,进而控制其增益。基于上述两个关键模块电路设计了一款工作在整个Ka波段的具有稳定相位误差和幅度误差,而且在功耗和芯片面积方面具有一定竞争力的6位矢量合成型毫米波有源移相器。实现移相精度小于5.625°,均方根相位误差1.8°-2.8°,均方根幅度误差0.9-2.1dB,该款矢量合成型毫米波有源移相器在1.2V供电电压下,最大功耗8.9mW,芯片面积0.4mm~2。需要强调的是该款移相器可以被扩展成移相精度更高且性能更加优良的毫米波有源移相器,非常适用于毫米波相控阵系统。3.设计了一款超宽带高增益的低噪声放大器电路。该款LNA采用4级放大结构,其中第一级和第四级采用感性负反馈互补共源结构以实现超宽带和高增益之目的,第二级和第三级采用感性负载共源结构进一步提高其增益,结合TSMC65nmCMOS工艺的低噪声和高增益特性,在27-40GHz频段范围内实现了噪声系数1.5-1.7dB,增益22-27dB。在中心频率33.5GHz,输入功率-40dBm情况下的IP_(1dB)为-29.2dBm。在频率33.5GHz和33.6GHz,输入功率-40dBm情况下进行双音测试,设计的LNA的IIP_3为-21.18dBm。该款超宽带高增益LNA在1.2V供电电压下功耗为12.7mW,芯片面积为0.2374mm~2。4.设计了一款工作在整个Ka波段性能卓越的LNA-PS电路。该LNA-PS电路由超宽带高增益低噪声放大器级联高正交精度的正交信号发生器再级联使用了等距缩放技术的可变跨导型可变增益放大器组成。该款LNA-PS电路的平均噪声系数1.51-2.4dB,平均增益11.8-22.4dB,平均幅度5.9-11.2dB,均方根相位误差1.1°-15.3°,均方根增益误差5.7-6.9dB,均方根幅度误差2.86-3.48dB,均方根噪声系数误差低于1.56dB,同时具备以近似2.8125°的移相步进覆盖360°的移相范围,本次设计的LNA-PS电路在1.2V供电电压下消耗电流16.83mA,芯片面积0.696mm~2。