基于BiCMOS超宽带低噪声有源数控移相器设计

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移相器是控制和改变电磁波相移的主要元件,在雷达探测、无线通信、遥感探测等应用领域有着广阔的前景。硅基集成电路技术的飞速发展,特别是可工作于射频和微波频段的SiGe BiCMOS工艺的发展,使得制造与硅基成熟工艺兼容、低成本和高集成度的单片集成的移相器成为了可能。虽然传统的无源移相器的相移精度高,功耗低,但是它的损耗高,占用的芯片面积大,需要一些特殊的传输线工艺都限制了移相器的集成度、成本和易用性。出于对这个问题的考虑,本设计利用现有的SiGe BiCMOS工艺,选取有源结构,在满足低差损的前提下以实现了低噪声有源数控移相器。此移相器采用极性调制方法,包括有源低噪声巴伦、差分正交全通滤波器、差分矢量合成器、DAC电流镜及数控电路、用于增益补偿的宽带放大器和偏置电路。有源低噪声巴伦采用有源电路结构,减小了电路的噪声系数,实现了信号的转换和阻抗匹配;移相器电路采用无源结构产生两路正交信号,具有增益平坦度好、宽频带等优点;通过DAC和数控电路的控制,矢量合成器由两个采用开关管的吉尔伯特单元组成,并通过改变I和Q路尾电流的比值以实现所求的相位,并引入了具有感性输出阻抗的有源电感来增加带宽并节省芯片面积;宽带放大器用来补偿前面各电路引入的损耗;带隙基准则为各个模块电路提供合理的偏置,采用高阶温度补偿以减小对DAC电流镜的影响。此移相器基于0.18μm SiGe BiCMOS工艺。得到的数据表明,在X和K波段工作频段内,输出信号相位的均方根误差<6.1°,增益均方根误差<0.518dB,在18GHz处的输入Pin1dB-16.539±2.34dBm,输入反射系数S11<-15.07dB,输出反射系数S22<-11.87dB,噪声系数NF<25dB,表明该移相器的设计达到了预期的指标。
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