应用于相控阵收发组件的射频/微波集成电路设计

【摘要】本文重点研究了不同工艺下用于相控阵雷达和通信系统的射频/微波单片集成电路设计。首先采用三维电磁场仿真方法建立了TSMC0.18um工艺的传输线的模型，根据此模型，采用传输线匹配的方法设计了工作在X波段（8-12GHz）的低噪声放大器（LNA）和功率放大器（PA），LNA的噪声系数小于4.5dB，小信号增益大于20dB，PA输出功率大于18.3dBm，功率增加效率为15%，并设计了SPDT开关，插入损耗2.5dB，隔离度大于20dB，最终实现收发模块。根据多层金属耦合的方法采用金属4和金属6设计了Balun结构，并在此基础上设计二极管环形混频器，混频器在17dBm的LO功率驱动下带内变频损耗小于14.2dB，最小变频损耗12dB。提出了一种高隔离度低损耗的CMOS工艺开关设计方法，设计了工作在S波段的隔离度为39.27dB，插入损耗1.03dB的高性能射频单刀双掷开关（SPDT），并设计了工作在3.1-10.6GHz的噪声系数小于3.55dB，增益大于15dB的超宽带低噪声放大器。采用GaAs0.25um工艺设计了两种类型的六位数字移相器，分别工作在S波段和C波段。由于两种移相器的电路结构相同，文章中只讨论了S波段移相器的详细设计，分别对各个移相单元180°、90°、45°、22.5°、11.25°、5.625°进行了详细设计。并对移相器的级联散射抑制和降低相位误差的方法进行了详细说明。S波段移相器测试结果表明在2.1-2.7GHz频率范围，移相器以5.625°为步进，相位均方根误差（RMS）小于1.7°，插入损耗小于6.3dB，输入输出反射系数小于-10dB。C波段移相器工作在3.6-4.2GHz频率范围，测试相位RMS小于1.73°，插入损耗小于6.4dB，波动小于0.4dB。输入输出驻波比分别为小于1.58和1.52。论文研究了基于GaN工艺的微波晶体管开关建模，提出了基于开关GaNHEMT晶体管物理结构分析的等效开关模型，对模型中各种本征和寄生参数进行了详细分析，并验证了模型的正确性，为在GaN基板上设计微波控制电路比如数字移相器、数控衰减器等打下基础。论文还研究了GaNMMIC工艺的器件建模，分别对电容、电感、微带线以及接地通孔进行建模。最后采用E/D模工艺设计了TTL电平转换电路，将数字控制信号的TTL电平转换成一组高低电平，电压分别为0V和-4V，实现数字电平直接控制耗尽型微波控制器件。
【作者】杨小峰；
【导师】郝跃；
【作者基本信息】西安电子科技大学，集成电路系统设计，2014，博士
【关键词】相控阵；T/R组件；MMIC；移相器；开关模型；

【参考文献】
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