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Ka频段接收机部件单元单片集成电路设计

2020-11-28阅读(336)

Ka频段接收机部件单元单片集成电路设计

论文摘要

微波/毫米波单片集成电路（MMIC）具有体积小、重量轻、可靠性高、稳定性好等优点,不仅在卫星通信、相控阵雷达系统、电子战等军事应用领域具有非常广泛的应用,而且在民用方面也有相当大的市场。PHEMT（赝匹配型高电子迁移率管）器件具有优异的高频特性、功率特性和低噪声特性,使之成为微波/毫米波单片集成电路领域中最有竞争力的有源器件之一。本文设计了若干Ka频段接收机部件单元单片集成电路,通过商用的0.2μm GaAs PHEMT工艺实现流片。主要研究内容摘要如下:（1）设计完成了Ka频段两级低噪声放大器芯片,工作频率为29-33GHz,实现增益大于10dB,噪声系数小于3.5dB。（2）设计完成了Ka频段宽带低噪声放大器芯片,该芯片为四级放大结构,采用自给偏压设计,实现单电源1.8V供电,功耗仅为81mW,在整个Ka频段内增益大于18dB,噪声系数小于3.8dB。（3）设计完成了Ka频段宽带镜频抑制混频器芯片,采用Lange Coupler等宽带电路实现混频器的宽带特性,在30-38GHz频率范围内,变频损耗小于12.6dB,镜频抑制度大于20.4dB。（4）设计完成了Ka频段宽带四次谐波镜频抑制混频器芯片,采用Marchand Balun和阻性PHEMT器件构建偶次谐波混频单元,应用Lange Coupler等宽带电路实现混频器的宽带特性,首次实现了Ka频段四次谐波镜频抑制混频器芯片。同时该芯片采用了小型化设计技术,使芯片面积大大缩小,该芯片与国外二次谐波镜频抑制混频器芯片相比面积相当,甚至更小。该小型化技术也可应用于其它毫米波单片集成电路的设计中。（5）设计完成了超宽带有源二倍频器芯片。该芯片由平衡式倍频器和放大器两部分组成。平衡式倍频器由有源Balun和两个FET倍频单元构成,实现了对奇次谐波的有效抑制。放大器由分布式放大器和两级共源放大器组成,实现宽带放大。该倍频器芯片输入频率为1.5-25GHz,工作带宽超过了4个倍频程,在输入频率为1.5-20GHz时,倍频增益大于0dB。该倍频器芯片可实现将微波信号倍频到Ka频段。（6）微波/毫米波单片集成电路中的无源元件建模技术研究:将神经网络方法和电磁仿真相结合对Lange Coupler进行建模,所得模型具有和电磁仿真结果同样的准确度,但所需的计算时间却非常少,该模型可用于Lange Coupler电路的设计和优化。引入支持向量机回归方法对MIM（metal-insulator-metal）电容进行建模,该模型适合于大规模CAD优化过程中的在线使用,同时充分证明支持向量机回归方法在微波/毫米波无源电路建模方面的有效性。以上研究的两种建模方法也适用于其它微波/毫米波单片集成电路中无源元件建模。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 微波/毫米波单片集成电路发展概况
  • 1.2 微波/毫米波单片集成电路应用状况
  • 1.3 本文主要工作
  • 第二章 工艺介绍及电路设计方法
  • 2.1 GaAs MESFET工艺
  • 2.2 GaAs HEMT/PHEMT工艺
  • 2.3 MPW流片介绍
  • 2.4 微波/毫米波单片集成电路设计方法
  • 2.4.1 电路设计流程
  • 2.4.2 关键无源元件的电磁仿真
  • 第三章 Ka频段低噪声放大器芯片设计
  • 3.1 低噪声放大器基本理论
  • 3.1.1 二端口网络噪声理论
  • 3.1.2 微波晶体管放大器的噪声特性
  • 3.1.3 放大器的增益
  • 3.1.4 输入共轭匹配和噪声匹配同时实现的低噪声放大器
  • 3.1.5 放大器的稳定性
  • 3.2 Ka频段两级低噪声放大器芯片设计
  • 3.2.1 两级低噪声放大器芯片电路拓扑结构设计
  • 3.2.2 器件栅宽和直流偏置点选择
  • 3.2.3 低噪声放大器直流偏置电路设计
  • 3.2.4 两级低噪声放大器芯片整体电路设计
  • 3.2.5 两级低噪声放大器芯片版图设计
  • 3.2.6 两级低噪声放大器芯片仿真结果
  • 3.2.7 两级低噪声放大器芯片测试
  • 3.3 四级低噪声放大器芯片设计
  • 3.3.1 四级低噪声放大器芯片电路拓扑结构设计
  • 3.3.2 四级低噪声放大器芯片自偏置电路设计
  • 3.3.3 四级低噪声放大器芯片整体电路设计
  • 3.3.4 四级低噪声放大器芯片版图设计
  • 3.3.5 四级低噪声放大器芯片仿真结果
  • 3.3.6 四级低噪声放大器芯片测试
  • 3.4 小结
  • 第四章 Ka频段镜频抑制混频器芯片设计
  • 4.1 基本单端混频器分类
  • 4.1.1 二极管混频器
  • 4.1.2 有源 FET混频器
  • 4.1.3 阻性 FET混频器
  • 4.2 镜频抑制混频器电路结构
  • 4.3 Ka频段宽带镜频抑制混频器芯片设计
  • 4.3.1 混频单元设计
  • 4.3.2 Lange Coupler设计
  • 4.3.3 镜频抑制混频器芯片整体电路设计
  • 4.3.4 镜频抑制混频器芯片版图设计
  • 4.3.5 镜频抑制混频器芯片仿真结果
  • 4.3.6 镜频抑制混频器芯片测试
  • 4.4 Ka频段宽带四次谐波镜频抑制混频器芯片设计
  • 4.4.1 偶次谐波混频单元设计
  • 4.4.1.1 Marchand Balun设计
  • 4.4.1.2 耦合线电容加载技术研究
  • 4.4.1.3 电容加载 Marehand Balun设计
  • 4.4.2 四次谐波镜频抑制混频器芯片整体电路设计
  • 4.4.3 四次谐波镜频抑制混频器芯片版图设计
  • 4.4.4 四次谐波镜频抑制混频器芯片仿真结果
  • 4.4.5 四次谐波镜频抑制混频器芯片测试
  • 4.5 小结
  • 第五章 超宽带有源倍频器芯片设计
  • 5.1 倍频器的分类及其特点
  • 5.2 FET有源倍频原理
  • 5.3 超宽带倍频器芯片设计
  • 5.3.1 电路偏置方式选择
  • 5.3.2 倍频级设计
  • 5.3.2.1 有源 Balun设计
  • 5.3.2.2 平衡式倍频器设计
  • 5.3.3 放大级设计
  • 5.3.3.1 分布式放大器基本设计原理
  • 5.3.3.2 具体电路设计
  • 5.3.4 整体电路设计
  • 5.3.5 倍频器芯片版图设计
  • 5.3.6 倍频器芯片仿真结果
  • 5.4 倍频器芯片测试
  • 5.5 小结
  • 第六章 微波/毫米波单片集成电路中关键无源元件建模
  • 6.1 人工神经网络简介
  • 6.2 机器学习
  • 6.2.1 机器学习的基本问题和方法
  • 6.2.2 机器学习的经验风险最小化原则
  • 6.2.3 机器学习的复杂性和推广能力
  • 6.2.4 统计学习理论的核心内容
  • 6.3 支持向量机
  • 6.3.1 线性支持向量机回归
  • 6.3.2 非线性支持向量机回归
  • 6.4 Lange coupler的神经网络模型
  • 6.5 基于支持向量机的MIM电容建模
  • 6.6 小结
  • 第七章 结论
  • 7.1 本论文的主要贡献
  • 7.2 下一步工作展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 攻读博士期间取得的研究成果

    • 相关论文文献

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