6~18GHz SiGe BiCMOS宽带有源移相器设计

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随着人们对雷达的需求越来越高,相控阵雷达凭借极快的反应速度、较强的抗干扰能力以及多目标追踪能力等优势,在我国军用、民用领域得到了广泛的应用。移相器作为相控阵系统中最核心的模块,其性能决定了整个相控阵系统的性能。传统的无源移相器由于较大的芯片面积、较高的移相误差、较窄的工作带宽以及较高的损耗等缺点,严重影响了相控阵系统的性能。近年来,伴随着硅基工艺的成熟,应用SiGe BiCMOS工艺的有源移相器解决了传统无源移相器集成度低、损耗高等缺点,推动了相控阵系统在X、Ku波段的应用与发展。因此,基于SiGe BiCMOS工艺宽带有源移相器的设计成为当下一个研究热点。本论文基于0.13μm SiGe BiCMOS工艺设计6-18 GHz宽带有源移相器。该宽带有源移相器采用矢量调制式的有源移相器结构,该结构主要包括输入巴伦、正交信号产生电路、矢量调制器、数模转换电路(DAC)以及宽带插损补偿放大器。其中输入巴伦采用Marchand无源巴伦结构,正交信号产生电路采用多相滤波器结构。矢量调制器由两个基于吉尔伯特单元(Gilbert)电路的可变增益放大器(VGA)构成,而两路VGA电路的增益由DAC模块控制。本文对传统有源移相器结构进行了一定的改进与创新,在Marchand无源巴伦和多相滤波器级间插入一级宽带全差分放大器。该宽带全差分放大器的作用在于提供输入输出阻抗匹配,给前级Marchand无源巴伦提供一个50Ω的负载,给后级多相滤波器提供一个50Ω的源阻抗。插入该宽带全差分放大器的优点在于降低了Marchand无源巴伦和多相滤波器输出信号的相位误差和幅度误差,相对传统结构取得了很大的改进与突破。本文给出了有源移相器的电路设计、版图设计和路场混合仿真结果。路场混合仿真表明:在tt工艺角和27℃温度下,6-18GHz工作频段内,电源电压3.3V,输出移相精度为6bit,相位误差RMS值为0.51-1.14°,增益误差RMS值为0.28-0.4dB,增益为9.2-11.66dB,S11≤-12.3dB,S22≤-11.4dB,输入1dB压缩点≥1.07dBm,版图面积为2.46 mm×1.38mm,工作电流为33.7mA。本文设计的宽带有源移相器具有移相精度高、移相误差小、工作带宽宽和线性度高的特点,满足指标要求,经流片验证后可以应用于相控阵雷达中。
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