【摘 要】
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随着5G通信、高精度探测雷达等应用需求的增长,具有高速率传输、高能效、高集成度、低成本的硅基相控阵系统芯片已逐渐成为高速率无线传输系统的核心部件。但随着工作频率的不断提升,片上相控阵系统及其关键模块设计仍面临着诸多挑战。本文针对硅基相控阵系统及其关键模块开展了深入研究,提出了一系列高精度数字化移相器、相控阵架构与设计技术,并基于纳米级硅基CMOS工艺研制了多款芯片,芯片性能达到了国际先进水平。本文
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随着5G通信、高精度探测雷达等应用需求的增长,具有高速率传输、高能效、高集成度、低成本的硅基相控阵系统芯片已逐渐成为高速率无线传输系统的核心部件。但随着工作频率的不断提升,片上相控阵系统及其关键模块设计仍面临着诸多挑战。本文针对硅基相控阵系统及其关键模块开展了深入研究,提出了一系列高精度数字化移相器、相控阵架构与设计技术,并基于纳米级硅基CMOS工艺研制了多款芯片,芯片性能达到了国际先进水平。本文的主要贡献与创新点主要体现在以下几个方面:1、8-bit高精度数字化移相器研究。针对微波频段高精度移相设计难题,提出了一种基于数字可控MOS管阵列的变增益放大器技术。通过在Gilbert型放大器电路中引入满足等比例宽长比分布的数控阵列电流源,实现对正交矢量的高精度幅度调谐,从而在不增加电路复杂度的情况下提升移相精度。基于此技术在28nm CMOS工艺上研制了一款可支持8-bit移相精度的高精度移相器,该芯片工作频率为18-24GHz,其相位误差、幅度误差分别小于0.46°、0.59dB。2、W波段9-bit高精度数字化移相器研究。针对毫米波频段片上电路寄生对正交信号幅相平衡度的影响,提出了面向L-C-R全通滤波器的正交信号生成器幅相补偿技术。通过在全通滤波器电路的四路正交输出端口级联电感与传输线结构,抵消后级电路的寄生影响,从而降低了正交信号的幅相误差。基于此技术在40nm CMOS工艺上研制了一款工作于90-98GHz、具有9-bit移相精度的小型化数字移相器。电路的相位误差、幅度误差分别小于0.71°、1.23dB。3、片上相位自校准数字化移相器研究。针对高精度数字化移相器电路输出相位与控制编码间的非线性问题,提出了片上相位自校准技术。通过对关键节点的电压检测与对比,自动生成矢量合成移相器的相位控制编码,从而实现相位自校准。基于硅基28nm CMOS工艺,研制了一款片上相位自校准数字化移相器芯片。该芯片的工作频率为22-44GHz,具有7-bit有效相位精度,可支持各国5G毫米波频段标准。采用片上相位自校准技术后,移相器电路的均方根相位误差小于1.02°,均方根幅度误差小于0.59dB。4、W波段增益补偿发射链路研究。针对毫米波频段数字化移相器幅度误差对发射链路的影响,提出了增益补偿技术。通过在数字化移相器输出端口引入可变增益的功率放大器,对移相器电路每个移相状态的输出幅度进行单独补偿,从而降低发射链路整体的幅度误差。基于此技术在40nm CMOS工艺上研制了一款工作于90-98GHz、9-bit移相精度、6-bit变增益控制的发射链路,该链路的小信号增益为16.6-18dB,增益变化范围为1.4dB。5、W波段增益补偿相控阵发射系统研究。基于W波段9-bit高精度数字化移相器与6-bit变增益功率放大器,结合片上一分四Wilkinson功率分配器电路,提出了增益补偿相控阵发射系统架构。基于硅基40nm CMOS工艺,研制了一款W波段增益补偿相控阵发射系统。该相控阵系统在90-98GHz频率范围内,单路饱和输出功率为5.03-8.13dBm,均方根幅度误差小于1.12dB,均方根相位误差小于1.82°。采用增益补偿技术后,该阵列芯片在94GHz频率下实现了9.1%的幅度误差性能提升。
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