X波段GaN基五位數(shù)字移相器MMIC的設(shè)計(jì).pdf

1、移相器是一種可以將輸入信號(hào)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?yán)走_(dá)等微波系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一，由于成本的限制，一般只限于軍事應(yīng)用以及高端商用領(lǐng)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(lái)愈廣泛地應(yīng)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(shí)現(xiàn)的。然而，寬禁帶半導(dǎo)體器件工藝方面取得的巨大進(jìn)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(lái)涌現(xiàn)的以GaN HEMT為代表的第三代半導(dǎo)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(yīng)用最重要的選擇。因此，開(kāi)展移相器原理理論的研究，設(shè)計(jì)并研制GaN基MMIC移相器，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　在此背景下，本論文對(duì)移相器的基本工作原理、常見(jiàn)的幾種不同類(lèi)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)字移相器及其設(shè)計(jì)方法做了較全面的介紹。

3、并在分析GaN HEMT開(kāi)關(guān)原理的基礎(chǔ)上，對(duì)應(yīng)用于移相器開(kāi)關(guān)器件的選擇提出了建議，隨后設(shè)計(jì)了一款適用于高通/低通濾波器型移相器的單刀雙擲開(kāi)關(guān)電路。在移相器原理分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合自主生產(chǎn)的GaN HEMT開(kāi)關(guān)器件的測(cè)試數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)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?duì)自主研制的柵寬為0.5um的GaN HEMT開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行了小信號(hào)測(cè)試，并表征了不同柵寬的開(kāi)關(guān)器件在串并聯(lián)配置下的開(kāi)關(guān)性能，隨后給出了適

4、用于移相器的開(kāi)關(guān)器件的選擇建議?；贕aN HEMT開(kāi)關(guān)管的小信號(hào)參數(shù)，利用ADS設(shè)計(jì)了一款適用于高通/低通濾波器型移相器的SPDT開(kāi)關(guān)電路，隨后結(jié)合實(shí)際MMIC工藝線，使用L-Edit軟件合理設(shè)計(jì)了完整的單刀雙擲開(kāi)關(guān)版圖。
　?、诨谧灾餮兄频腉aN HEMT器件的開(kāi)關(guān)性能和設(shè)計(jì)指標(biāo)，選擇出了各移相位單元的合理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，11.25°和22.5°移相位采用加載線型結(jié)構(gòu)，45°移相位單元采用全通網(wǎng)絡(luò)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，90°和180°

5、移相位采用高通/低通濾波器型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。利用ADS分別對(duì)每一個(gè)移相位單元電路進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化和大量的電磁場(chǎng)仿真，直至達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。隨后，將五個(gè)移相位單元版圖仿真結(jié)果進(jìn)行級(jí)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(jí)聯(lián)方式。結(jié)合實(shí)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(nèi)仿真結(jié)果顯示：移相精度為-2.