宽带可调节模拟实时延时电路的研究与设计

摘要

近年来，随着无线通信技术的迅速发展，模拟实时延时电路已经广泛应用于无线通信和光纤数据传输系统中，比如微波成像器、雷达接收机和均衡器等。模拟实时延时集成电路具有宽带、小型化、延时分辨率高、接收范围广并且消除波束偏移等特点。在宽带阵列波束成形系统应用中，实时延时电路能够提高系统的信噪比和通信容量。因此，研究模拟实时延时电路对宽带无线通信技术的发展具有重要的意义。 本文深入研究了宽带短时延有源延时电路，电路采用差分有源电感和单晶体管放大器构成的二阶全通滤波器结构。分析了单晶体管二阶全通滤波器的群延时，提出了采用差分有源电感设计短延时宽带有源延时电路的方法。差分有源电感采用跨导倍增和负阻抗技术设计，实现了低电感值和较高的谐振频率。研究了延时电路的可调节性，结合有源电感设计实现了宽带短时延有源延时电路。基于0.18μm CMOS工艺对宽带短时延有源延时电路进行了流片验证，测试结果表明：在3-12GHz频带内，宽带有源延时电路的延时时间的变化范围为6-8.5ps。 本文提出了基于延时锁定环结构作为校准环路的宽带有源延时线电路。电路由有源延时线和校准环路组成，通过粗、细延时线串联的方法，提高了延时线的延时范围和延时分辨率。采用延时锁定环作为校准环路，提高了延时线电路的抗干扰能力。对校准环路进行了系统建模和行为级仿真，分析了输出信号的抖动和瞬态锁定时间的影响因素，提高环路的性能。电路采用0.18μm CMOS工艺实现，测试结果表明：宽带有源延时线电路在0.6-4.2GHz频段内具有5ps的延时分辨率和95ps的相对延时范围。 本文提出了采用长号线结构设计的宽带无源延时线电路，电路由无源延时单元和有源开关电路组成。无源延时单元采用金属互连线代替无源螺旋电感，有效提高了延时精度，针对互连线的特点进行了建模和优化设计。采用控制开关电路偏置电流的方法实现信号延时的控制，消除了开关变换对延时性能的影响，结合与绝对温度成正比(proportional to absolute temperature,PTAT)的偏置电路和比例缩放技术，提高了不同开关延时状态和环境情况下增益的稳定性。电路采用0.13μm SiGe BiCMOS工艺实现，测试结果表明：宽带无源延时线电路在14-34GHz频段内具有5ps的延时分辨率和35ps的相对延时范围。 本文对阵列延时测试模型建立进行了研究，采用延时芯片作为阵列信号相位控制的基本单元，设计延时芯片键合测试系统，分别对单芯片延时电路和多芯片级联延时线系统实现延时控制。通过调节各通道延时线开关对信号进行延时控制，使输出信号之间相差固定的延时时间，模拟对一定入射角度信号进行波束成形的信号处理，并通过实验验证了方法的可行性。 本文致力于宽带模拟延时集成电路的研究，完成了对宽带短时延有源延时电路、宽带有源延时线电路、宽带无源延时线电路的设计与实现，对阵列延时测试模型进行了建立，实现对带宽拓展、高延时精度、群延时平坦化和延时稳定性等关键技术的研究，通过流片测试，验证了延时电路设计方法的可行性，为宽带波束成形系统阵列研究提供了技术支撑。

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