X波段控制模块电路研究与设计

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21世纪以来,适应民用无线通信系统和军用雷达的需求,高精度、多通道、大数据容量的宽带相控阵技术得到了蓬勃发展。而在相控阵系统中,发送/接收模块(T/R)需求量巨大,也是影响整个相控阵系统性能和成本最关键的模块。其中,移相器实现相位控制功能,衰减器实现幅度控制功能。这两种微波控制器件在整个相控阵系统中起着基础且至关重要的作用。因此,针对这两者的研究是近年来学界与产业界的热点。本文聚焦这一研究热点,首先对数控移相器与数控衰减器近年发展脉络与趋势进行了详尽的调研,分析了当前数控移相器与数控衰减器设计中的难点。针对系统使用的要求,提出了宽带低损耗的设计目标。并结合这一要求,基于0.5μm GaAs pHEMT工艺完成了X波段六位数控移相器与DC-13GHz六位数控衰减器的电路设计与仿真。针对X波段六位数控移相器的设计,本文从各个元件的基本原理出发,对不同尺寸的开关进行了细致的分析与寄生参数提取。在此基础上,对常见的移相器拓扑的优缺点进行了理论推导与分析,优选了每一位的拓扑结构与最佳级联顺序。最终5.625°和22.5°移相单元采用了嵌入LC型拓扑;11.25°和45°移相单元采用了桥T型拓扑;90°和180°采用了高低通网络拓扑。同时,为了简化芯片的控制逻辑,在片内集成了电平位移电路与反相器电路。最终仿真结果显示,该移相器在8-12GHz移相误差典型值为10°。RMS相位误差最大为6°。芯片实现了非常低的插入损耗。带内插损典型值为6dB,最大值为7.8dB,寄生调幅RMS小于0.9dB。移相器线性度良好,P1dB大于30.5dBm。输入输出驻波特性良好,全态S11和S22均小于-12dB。芯片面积为3.1mm×1.05mm×0.1mm,可以采用5mm×5mm的方形扁平无引脚(QFN)封装,为后续的封装测试提供了便利。对于DC-13GHz六位数控衰减器的芯片设计,同样通过类似方法,优选开关管尺寸,探究线性度与插入损耗之间的折中调谐。最终六位数控衰减器在DC-13GHz内,实现了非常低的插入损耗,最大插损仅为4.147dB。同时带内衰减平坦度良好,衰减误差小于(0.3+3%×ATT)dB,而RMS衰减幅度误差在0.15dB-0.45dB之间,典型值为0.25dB。芯片的线性度很高,P0.1dB大于25dBm。驻波特性良好,全态的S11和S22均小于-12dB。各项指标均满足设计要求。芯片面积为1.65mm×1.05mm×0.1mm。
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