硅基CMOS微波相控阵集成电路关键技术研究

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微波频段为现代移动通信与雷达感知应用提供了丰富的频谱资源。为了扩大微波无线系统的通信或探测范围,具有波束赋形能力的相控阵系统得到了广泛的应用,而相控阵系统对微波系统的集成度与成本提出了较高的要求。因此,学术界与工业界掀起了对高集成度与低成本微波相控阵系统的研究热潮。本文对频率可重构威尔金森功分器、巴伦匹配网络、无源开关型移相器三个微波相控阵系统中的关键电路模块进行了细致研究,并实现了一款Ku频段单片集成四个收发通道的硅基CMOS相控阵芯片。此外,对相控阵芯片与天线集成方式也进行了深入的研究。本文的研究内容主要分为以下三个部分:1.频率可重构威尔金森功分器的研究。提出了基于传输线移相器实现频率可重构电路的技术。基于此项技术,采用标准的65 nm硅基CMOS工艺实现了一款覆盖24~44 GHz频率范围的可重构威尔金森功分器。其具有高于22.4 dB的隔离度、低于-15.2 dB的反射系数与小于2.6 dB的插入损耗。满足整个毫米波5G n257~n261和Ka频段的应用需求。此外,本文对传输线移相器的分析与设计方法也适用于其他频率可重构的电路模块与系统。2.Ku频段四通道硅基CMOS相控阵收发前端的研究。采用0.18μm硅基CMOS工艺实现了单片集成四通道的相控阵收发前端,可以被用于卫星通信或雷达感知的应用。提出了基于混合模式S参数的补偿匹配网络技术,简化了巴伦设计。在15~18 GHz,所设计的巴伦匹配网络的仿真相位不平衡度小于0.2°,幅度不平衡度小于0.13 dB,端口反射系数小于-16.6 dB。同时,对无源开关型移相器在-45℃和85℃高低温状态下移相精度变差的机理进行研究,并采用一个校准位移相器单元来提高无源移相器在-45℃和85℃下的移相精度。3.硅基CMOS微波相控阵芯片封装形式研究。为了减小硅基CMOS微波相控阵芯片与天线之间互连线的影响,采用片上天馈的封装技术实现了一个四通道相控阵收发系统。所采用的封装技术不但发挥了片上集成天线高集成度和低连接损耗的优势,同时避免了使用额外芯片面积来满足片上天线单元间半波长间距的要求。最终,所实现的相控阵系统具有±28°的扫描角范围和峰值为14 dBm的等效全向辐射功率。
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