X波段GaN基五位數(shù)字移相器MMIC的設計.pdf

1、移相器是一種可以將輸入信號的相位改變?yōu)榱硪环N特定的新相位的功能電路。移相器是相控陣雷達等微波系統(tǒng)中的關鍵部件之一，由于成本的限制，一般只限于軍事應用以及高端商用領域。相比較于模擬移相器，數(shù)字移相器受到控制電壓的噪聲以及溫度漂移的影響更小，所以數(shù)字移相器愈來愈廣泛地應用于有源相控陣天線中。微波數(shù)字移相器絕大多數(shù)是以III–V族平面集成電路工藝實現(xiàn)的。然而，寬禁帶半導體器件工藝方面取得的巨大進展為制作高功率、緊湊及低成本的移相器提供了巨大的

2、潛力。特別地，近年來涌現(xiàn)的以GaN HEMT為代表的第三代半導體器件以其極高的工作溫度（~600℃）、高擊穿電壓（~100 V）和高電流密度（~1.5 A/mm）等優(yōu)良特性成為制作高性能數(shù)字移相器等微波單片集成電路應用最重要的選擇。因此，開展移相器原理理論的研究，設計并研制GaN基MMIC移相器，具有重要的現(xiàn)實意義。
　　在此背景下，本論文對移相器的基本工作原理、常見的幾種不同類型拓撲結構的數(shù)字移相器及其設計方法做了較全面的介紹。

3、并在分析GaN HEMT開關原理的基礎上，對應用于移相器開關器件的選擇提出了建議，隨后設計了一款適用于高通/低通濾波器型移相器的單刀雙擲開關電路。在移相器原理分析的基礎上，結合自主生產的GaN HEMT開關器件的測試數(shù)據(jù)，設計了 X波段五位數(shù)字移相器MMIC電路。本論文的主要研究成果如下：
　?、賹ψ灾餮兄频臇艑挒?.5um的GaN HEMT開關器件進行了小信號測試，并表征了不同柵寬的開關器件在串并聯(lián)配置下的開關性能，隨后給出了適

4、用于移相器的開關器件的選擇建議?；贕aN HEMT開關管的小信號參數(shù)，利用ADS設計了一款適用于高通/低通濾波器型移相器的SPDT開關電路，隨后結合實際MMIC工藝線，使用L-Edit軟件合理設計了完整的單刀雙擲開關版圖。
　　②基于自主研制的GaN HEMT器件的開關性能和設計指標，選擇出了各移相位單元的合理拓撲結構。其中，11.25°和22.5°移相位采用加載線型結構，45°移相位單元采用全通網絡型拓撲結構，90°和180°

5、移相位采用高通/低通濾波器型拓撲結構。利用ADS分別對每一個移相位單元電路進行設計優(yōu)化和大量的電磁場仿真，直至達到設計指標。隨后，將五個移相位單元版圖仿真結果進行級聯(lián)仿真，在保證整體性能的前提下，選擇出版圖占用面積最小的最優(yōu)級聯(lián)方式。結合實際MMIC工藝線，在 L-Edit軟件中完成了五位數(shù)字移相器的版圖繪制。最終，完整的五位數(shù)字移相器MMIC版圖面積為5000μm?2900μm，在9~10GHz頻率范圍內仿真結果顯示：移相精度為-2.