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近年来随着对高速通信的需求,毫米波通信引起了人们广泛的研究,其中Ka波段28GHz成为下一代移动通信5G的热门频段之一。然而高频信号在传播过程中会有大的损耗影响通信质量,相控阵技术因其具有大的天线增益和高的信噪比较好地解决了这一问题。本文基于IBM 0.13μm工艺设计了一款Ka波段全射频单通道和四通道相控阵发射机芯片,主要内容如下:(1)Ka-band 1:4 Wilkinson功分器的设计。它由三个1:2的无源Wilkinson功分器组成,每个无源Wilkinson功分器又由λ/4传输线和隔离电阻组成。设计过程中,ADS momentum工具用来对其进行电磁场仿真以获得S参数。经过仿真它的输入输出回波损耗在工作频段27.5-28.5GHz内分别小于-12dB和-20dB,插入损耗小于2.6dB,各通道之间的隔离度大于20dB。(2)4-bitKa-band相移器的设计。它是基于开关LC延时网络的相移原理,由22.5°bit、45°bWt、90°bit和180°bit相移器组成。经过仿真工作频段27.5-28:5GHz内相移器的大部分相移状态输入输出回波损耗都小于-10dB。在28GHz频率处损耗的平均值为-13.7dB,所有状态的损耗在平均值上下1.2dB内变化。损耗的方均根误差值在工作频段内小于1dB。方均根相位误差值在28GHz频率处为7°,在工作频段内小于9.3°。(3)Ka-band功率放大器的设计。它由两级cascode放大器级联而成,整体电路采用差分结构,输入输出由无源balun完成阻抗变换以及差分到单端的转换,级间匹配网络由电感电容组成。经过仿真28GHz频率处,PA的饱和输出功率达到18.4dBm,1dB压缩点输出功率达到13.4dBm,最大功率增益达到22dB,峰值和1dB压缩点处的PAE分别为16.6%和6%,三阶交调点输出功率为23.4dBm。(4)Ka-band单通道和四通道相控阵发射机的设计。单通道相控阵发射机由4bit相移器和功率放大器组成,四通道电路由四个单通道电路和一个1:4 Wilkinson功分器组成。经过仿真单通道电路的S11在工作频段27.5-28.5GHz内16种相移状态都小于-10dB,增益的平均值在28GHz处为9.2dB,方均根增益误差在工作频段内小于1dB,方均根相位误差在28GHz处为10°,在工作频段内小于10.3°。功率放大器饱和输出功率的平均值为17.9dBm,1dB压缩点输出功率的平均值为13.4dBm,最大功率附加效率的平均值为7.5%。对于四通道电路,各通道相移和增益曲线具有几乎一样的频率特性,各通道之间的隔离度在工作频段27.5-28.5GHz内大于48dB,每一通道的反向隔离度大于65dB。