随着无线电技术和半导体技术的高速发展,雷达开始逐渐应用于轮船导航和汽车防撞等民用领域。雷达的种类很多,相控阵雷达作为当前雷达系统的主流技术,比传统的机械扫描式雷达更加灵活可靠,可迅速适应外界环境的变化。而K波段属于微波近毫米波频段,分辨率较高,系统体积较小,能在极端的天气条件下工作。因此,K波段相控阵雷达具有很好的民用价值。然而,国内毫米波雷达的关键组件大都由分立器件或者成本相对较高的Ga As芯片组装而成,不适用于需要大规模量产的环境。为了解决上述问题,本文采用性能稳定、价格低廉的硅基CMOS工艺,研究设计并实现了一款应用在K波段相控阵系统中的八通道集成发射前端芯片,通过将多个通道多种功能的电路同时集成在一个芯片上,可大幅度缩减系统尺寸,降低系统成本,提高系统性能。文章首先对研究背景和选题意义做了简单的介绍,分析了基于CMOS的微波毫米波相控阵系统的国内外研究现状和发展趋势。然后对整体芯片的结构框架做出了规划,确定各组成模块的连接顺序以及初步性能指标。整个芯片包括八个由移相器、预放大器、衰减器、功率放大器组成的发射通道单元,功率分配网络,温度补偿模块以及数字SPI模块。功率分配网络将一路信号等分成八路信号,分别送入八个发射通道中。在每个通道单元里,信号先经过移相器进行移相,然后通过预放大器进行初步放大,再经过衰减器进行幅度调节,最后通过功率放大器输出。温度补偿模块为各通道中的有源放大器提供随温度变化的直流偏置。数字SPI模块为各通道中的移相器和衰减器提供数字控制码,可对每个通道进行独立的相位和幅度调节。然后,本文重点对移相器、功率放大器和温度补偿模块这三个关键部分进行了详细的理论研究和仿真分析,并对除数字SPI之外的所有模块进行了电路和版图设计。其中,移相器采用无源矢量合成结构,通过正交耦合器分成两路正交信号,再分别经过相位可逆的可变衰减单元进行幅度调节,最后使用功率合成器将两路信号合成在一起。功率放大器采用带交叉补偿电容的伪差分共源结构,其补偿电容通过与主放大管尺寸相同的MOS管电容来实现。温度补偿模块的主要目的是为了补偿芯片增益随温度的剧烈波动,通过使用与温度无关的电流和与温度成正比的电流相叠加的方法,生成两路随温度变化程度不同的偏置电压,再利用比较器和选择器完成两路偏置电压在不同温度区间的选择,最终得到在低温段呈现低斜率变化、在高温段呈现高斜率变化的直流偏置曲线,可近似拟合放大器理想的温度偏置曲线,从而减小放大器增益随温度的波动,实现补偿效果。最后,依据各模块的电路和版图设计以及整体结构布局,采用TSMC 90nm CMOS工艺完成八通道集成发射前端芯片的设计与制造。整个芯片面积为2.55×5.6mm2,实际测量结果表明,常温下芯片的整体功耗为0.33W,总增益在24GHz处为11.3dB。在工作频带23.5～24.5GHz范围内,增益平坦度为±0.45dB,各通道输出1dB压缩点的最差情况为6.2dBm。芯片中每个通道都能实现6位的移相和16dB范围的衰减,且在1GHz工作频带内,移相的相位误差均低于1.6°,衰减的幅度误差均小于0.36dB。八通道的幅度一致性和相位一致性在工作频带内的最差情况分别为0.28dB和3.5°。在-45℃～125℃温度范围内,芯片的增益变化了±2.6dB。由测试结果可知,本文设计的芯片整体性能良好,可适用于宽范围的温度环境中。