X波段GaN基五位数字移相器MMIC的设计

摘要

移相器是一种可以将输入信号的相位改变为另一种特定的新相位的功能电路。移相器是相控阵雷达等微波系统中的关键部件之一，由于成本的限制，一般只限于军事应用以及高端商用领域。相比较于模拟移相器，数字移相器受到控制电压的噪声以及温度漂移的影响更小，所以数字移相器愈来愈广泛地应用于有源相控阵天线中。微波数字移相器绝大多数是以III–V族平面集成电路工艺实现的。然而，宽禁带半导体器件工艺方面取得的巨大进展为制作高功率、紧凑及低成本的移相器提供了巨大的潜力。特别地，近年来涌现的以GaN HEMT为代表的第三代半导体器件以其极高的工作温度（~600℃）、高击穿电压（~100 V）和高电流密度（~1.5 A/mm）等优良特性成为制作高性能数字移相器等微波单片集成电路应用最重要的选择。因此，开展移相器原理理论的研究，设计并研制GaN基MMIC移相器，具有重要的现实意义。
　　在此背景下，本论文对移相器的基本工作原理、常见的几种不同类型拓扑结构的数字移相器及其设计方法做了较全面的介绍。并在分析GaN HEMT开关原理的基础上，对应用于移相器开关器件的选择提出了建议，随后设计了一款适用于高通/低通滤波器型移相器的单刀双掷开关电路。在移相器原理分析的基础上，结合自主生产的GaN HEMT开关器件的测试数据，设计了 X波段五位数字移相器MMIC电路。本论文的主要研究成果如下：
　　①对自主研制的栅宽为0.5um的GaN HEMT开关器件进行了小信号测试，并表征了不同栅宽的开关器件在串并联配置下的开关性能，随后给出了适用于移相器的开关器件的选择建议。基于GaN HEMT开关管的小信号参数，利用ADS设计了一款适用于高通/低通滤波器型移相器的SPDT开关电路，随后结合实际MMIC工艺线，使用L-Edit软件合理设计了完整的单刀双掷开关版图。
　　②基于自主研制的GaN HEMT器件的开关性能和设计指标，选择出了各移相位单元的合理拓扑结构。其中，11.25°和22.5°移相位采用加载线型结构，45°移相位单元采用全通网络型拓扑结构，90°和180°移相位采用高通/低通滤波器型拓扑结构。利用ADS分别对每一个移相位单元电路进行设计优化和大量的电磁场仿真，直至达到设计指标。随后，将五个移相位单元版图仿真结果进行级联仿真，在保证整体性能的前提下，选择出版图占用面积最小的最优级联方式。结合实际MMIC工艺线，在 L-Edit软件中完成了五位数字移相器的版图绘制。最终，完整的五位数字移相器MMIC版图面积为5000μm?2900μm，在9~10GHz频率范围内仿真结果显示：移相精度为-2.917~3.194°，均方根移相误差小于1.565°；整体插入损耗为14.372~17.126dB，均方根插损波动小于0.541dB；输入回波损耗小于-13.5dB，输出回波损耗小于-14.1dB，总体性能均达到本课题的设计指标要求。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

插图索引

表格索引

符号对照表

缩略语对照表

目录

第一章 绪论

1.1 移相器简介

1.2 GaN HEMT的优势

1.3 MMIC介绍及移相器国内外研究概况

1.4 论文研究意义

1.5 论文的主要内容和安排

第二章 移相器的基本原理

2.1 移相器的分类

2.2 移相器主要性能要求

2.3常见几种类型移相器介绍

2.4 常见的几种类型移相器的特点比较

2.5 本章小结

第三章 GaN HEMT开关电路设计及研究

3.1 GaN HEMT器件工作原理

3.2 GaN HEMT的制作工艺流程

3.3 HEMT开关原理

3.4 开关器件的选择及开关电路的设计

3.5 本章小结

第四章 X波段五位数字移相器的仿真设计

4.1 数字移相器的设计流程

4.2 移相器的拓扑结构选择

4.3 各移相位的电路设计

4.4 数字移相器的级联仿真规则

4.5 五位数字移相器的级联设计

4.6 本章小结

第五章 总结和展望

参考文献

致谢

作者简介