有源数控移相器的研究与设计

摘要

由于相控阵接收到的电磁波信号是向各个方向发散的，从而导致接收到的信号太弱而无法实际应用到电路中。移相器作为相控阵系统中的关键模块，是控制和改变电磁波相移的主要元件。随着基于硅基工艺的微波射频集成电路的飞速发展，制造低成本、低插损、高集成度的移相器势在必行。然而传统的无源移相器引入的高插损和占用的大面积无法满足当前的需要，迫使人们追求新结构。有源移相器采用有源结构，利用与硅基工艺兼容的SiGe BiCMOS工艺，在实现相移精度高的基础上，同时达到了低成本、低插损、高集成度的要求。基于此，本文设计的五位有源数控移相器采用矢量调制方式实现的有源结构，利用SiGe BiCMOS工艺，实现五位的移相精度。
　　本研究采用一种新的矢量调制方法实现对有源移相器的研究与设计，其核心电路包括输入输出有源巴伦、正交信号产生器、四个三位子移相器和合成电路。输入有源巴伦将射频单端信号转换成双端差分信号；正交信号发生器产生同相和正交两路信号；四个子移相器利用这两路正交信号进行矢量合成实现3位的移相精度，合成电路将子移相器的输出作为输入，二次矢量合成完成整体5位的移相精度。基于对总体电路各个模块的理论分析，实现总体电路的设计与优化。输入有源巴伦电路采用两级有源结构，在 X波段频率范围内实现了射频单端信号到差分信号的转换，为正交信号发生器电路提供了差分信号，同时实现了输入端50?的阻抗匹配；正交信号发生器电路采用两级RC无源多相网络，在提供了误差较小的正交信号的基础上，不仅引入了较小的插入损耗，还占用了较少的芯片面积；整体移相器电路共有四个三位子移相器模块，每个子移相器在 Gilbert单元电路的基础上引入了开关管控制其输入管和尾电流管，通过有效地控制开关管的导通和关断，分别实现以45°为步进值的8种移相状态，同时还引入了具有感性输出阻抗的射极跟随器结构作为负载代替平面螺旋电感以减小芯片面积；四个子移相器的输出信号作为合成电路的输入信号，采用基本差动放大器的电路结构完成二次矢量合成，即该移相器以11.25°为移相步进值在0~360°范围内总共实现32种移相状态；带隙基准电路和逻辑控制电路为整个移相器电路提供稳定的偏置和有效的控制。基于此结构，该移相器整体电路采用JAZZ0.18μm SiGe BiCMOS工艺搭建仿真平台，并完成了版图的绘制。后仿结果显示，在 X波段工作频率范围内，所设计的移相器的RMS相位误差<2.74°，达到了五位移相器的精度要求；32种移相状态下的RMS增益误差<0.42dB，且在整个工作频段内保持了增益的平坦性；输入反射系数S11<-11dB，输出反射系数S22<-12dB，为相控阵系统的其他电路模块提供了50?的端口阻抗匹配。

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第一章 绪论

1.1研究背景及现状

1.2研究目的

1.3论文结构内容

第二章 移相器基本原理及应用

2.1移相器的应用

2.2移相器的原理

2.3移相器的分类

2.4本章小结

第三章 有源数控移相器核心电路设计

3.1有源巴伦

3.2正交信号发生器

3.3三位子移相器

3.4合成电路

3.5误差模型及精度优化

3.6本章小结

第四章 有源数控移相器外围及控制电路

4.1逻辑控制电路

4.2偏置电路

4.3本章小结

第五章 移相器整体电路设计及仿真

5.1移相器的前仿真结果

5.2版图设计

5.3移相器的后仿真结果

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1工作总结

6.2未来展望

参考文献

附录

致谢

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