基于SiGe BiCMOS工艺的Ku波段收发前端芯片研究与设计

摘要

相控阵雷达波速形成机制灵活，能够有效地追踪和侦测敌军，拥有很高的军事战略意义。而收发前端是相控阵雷达的关键部件，其性能决定了相控阵雷达的波速扫描精度、发射功率以及接收灵敏度等关键技术指标。目前，雷达整机性能的提升要求其对应的收发前端朝着低成本、低功耗、轻重量以及小型化的方向发展。
　　本文采用GF0.13μm SiGe BiCMOS工艺设计了一款全温（-55℃到125℃）工作状态下的Ku波段收发前端单片微波集成芯片，解决了目前SiGe BiCMOS工艺中存在的温度漂移较大的难题。论文首先分析比较了现有的几种半导体集成工艺各自优缺点，指出SiGe BiCMOS工艺兼顾性能、成本和集成度等因素，是研究目前收发前端集成芯片较好的选择。本文芯片主要研究工作由八个关键单元模块组成：六位数控衰减器(ATTR)、六位数控移相器(PS)、低噪声放大器(LNA)、功率放大器(PA)、电流源、波速形成控制模块、单刀双掷开关（SPDT）和单刀三掷开关（SP3T）。已完成单元模块及系统仿真和版图设计，并准备投片。
　　主要研究内容如下：
　　第一：实现了收发前端芯片的全温工作能力：改进了电流源馈电模块，降低了晶体管的温度漂移效应对放大器增益的影响；增加了增益温度补偿单元，提高了系统高低温的增益平坦度。
　　第二：实现芯片的收发通道切换功能，可对芯片进行编程化精确控制：设计了三个开关进行收发通道的切换，并在每一个放大器中添加了电流控制模块，根据收发信号对放大器进行工作状态的切换，提高了收发通道隔离度。
　　第三：设计了全温工作状态下的低噪声放大器和功率放大器，完成该多功能芯片的单元级和系统级电路设计仿真，并对整个系统进行设计规则检查(DRC)及物理验证检查（LVS）。在全温状态下，接收通道噪声系数不大于5dB，收发通道增益均大于20dB。
　　第四：设计了高精度六位数控衰减器。在原有的电路结构基础上增加了相位补偿和温度补偿功能。在全温状态下，实现了衰减附加移相小于5度，衰减均方根误差小于0.8dB以及输入输出回波损耗均小于-14dB的技术指标。

目录

声明

第一章 绪论

1.1课题的研究背景与意义

1.2 Ku波段多功能芯片的研究现状

1.3主要工作与章节安排

第二章 多功能芯片的系统架构

2.1收发前端的相移架构

2.2收发前端的系统方案选择

2.3本章小结

第三章 低噪声放大器及驱动放大器的设计

3.1低噪声放大器的设计

3.2驱动放大器的设计

3.3本章小结

第四章 单刀双掷开关和单刀三掷开关的设计

4.1微波数控开关的实现方式

4.2单刀双掷开关和单刀三掷开关的设计

4.3单刀双掷开关的设计

4.4单刀三掷开关的设计

4.5本章小结

第五章 多功能芯片中的高精度数控衰减器的设计

5.1数控衰减器的基本结构

5.2高精度全温六位数控衰减器的设计

5.3温补衰减器的设计

5.4本章小结

第六章 多功能芯片整体版图的主要仿真结果

6.1多功能芯片主要工作特性的仿真结果

6.2多功能芯片的移相特性

6.3多功能芯片的衰减特性

6.4多功能芯片的版图及工作特性汇总

6.5本章小结

第七章 总结与展望

7.1总结

7.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果