应用于5G移动通信的毫米波移相器芯片设计文献综述

 2022-09-24 10:09

  1. 文献综述(或调研报告):

移相器(Phaser)能够对波的相位进行调整的一种装置。任何传输介质对在其中传导的波动都会引入相移,这是早期模拟移相器的原理;现代电子技术发展后利用A/D、D/A转换实现了数字移相,它是一种不连续的移相技术,特点是移相精度高。

一种使用InGaAs PIN开关二极管的Ka波段5位 MMIC移相器的设计和性能。为了在Ka波段实现低插入损耗和良好的相移特性,采用开关电抗型InGaAs PIN二极管移相器拓扑结构和紧凑型偏置网络。其InGaAs PIN MMIC移相器具有良好的性能特性,与先前的结果相比,低插入损耗小于7.8 dB,高1dB压缩点为21.0 dBm。

图由两个4位有源移相器与0.13 m RF CMOS技术中的所有数字控制电路集成的移相器,用于X和Ku波段(8-18 GHz)和K波段(18-26 GHz)相控阵。 有源数字移相器通过添加正交相位输入信号,使用相位插值过程来合成所需的相位。这些设计基于基于谐振的正交全通滤波器,用于正交信号传输,具有最小的损耗和宽的工作带宽。两个移相器可以通过相关的DAC控制改变所有相位状态的RMS幅度不平衡小于约2 dB的相位。对于X波段和Ku波段移相器,RMS相位误差在整个5-18 GHz范围内小于10。 在5-20 GHz,平均插入损耗范围为3 dB至0.2 dB。X波段和Ku波段移相器在12 GHz时,所有4位相位状态的输入1dB压缩点通常为-5.4plusmn;1.3 dBm。K波段移相器在15-26 GHz时表现出6.5-13°的RMS相位误差。 在15-26 GHz,平均插入损耗为4.6至3 dB。K波段移相器的输入1dB压缩点在24 GHz时为-0.8plusmn;1.1 dBm。对于两个移相器,不包括所有焊盘的核心尺寸和仅用于测量目的的输出50Omega;匹配电路非常小,为0.33times;0.43mmsup2;。其中X和Ku波段移相器的总电流消耗为5.8 mA,K波段移相器的总电流消耗为7.8 mA,电源电压为1.5 V。

文章描述了一种适用于混合和单片相控阵模块的宽带移相器。许多微波系统需要移相器,并且对于相控阵中的电子束控制而言尤其需要大量移相器。理想的移相器能够在360°范围内控制插入相位而不会改变插入损耗,并且在整个感兴趣的频带内具有相对于频率特性的平坦相移。尺寸和成本考虑要求移相器与单片微波集成电路(MMIC)制造技术兼容。 移相器采用180°数字位和一个或两个模拟部分,以获得完整的360°相移范围。并且介绍了Westinghouse正在开发的4.5至18 GHz频段的移相器配置。该移相器由数字180°位和一个或两个模拟部分组成,以获得完整的360°相移范围。180°位在频带上可以表现出几乎理想的性能。模拟部分则需要一些额外的逻辑电路来接近理想特性。

另一篇文章介绍了使用非共振FET开关的Ka波段单片移相器的设计思路和性能特点。这些开关在不使用电感器的情况下显示宽带开/关特性为60 GHz; 因此,对于开关线移相器,可以实现稳健的电路设计。为了确定电路拓扑,作者引入了一种原理图设计方法。 结果成功实现期望的相移并且显示出良好的匹配特性。提出的的4位单片移相器表现出总体相位偏差小于5 rms,从33到35 GHz插入损耗变化小于0.65 dB rms。对于所有16种状态,插入损耗测量为13.1plusmn;1.1dB,VSWR小于1.6。单片移相器的芯片尺寸为2.5 mmtimes;2.2 mm。OEST开关的布局和开关状态等效电路如图所示。

图 1 OEST开关。(a)布局模式。(b)通态等效电路。(C)断态等效电路

移相器是相控阵天线的关键部件。通过使用GaAs PIN开关,可以设计Ka波段 4位开关线数字移相器,包括其拓扑,相位误差,相位调谐和测量结果。设计重点在于减少相位误差。4位开关线数字移相器的拓扑结构如图所示。在频率带宽2GHz的条件下,此移相器在设计的中心频率下显示总相位偏差小于3.9°rms,为3°rms,插入损耗约为8.3plusmn;1.7dB。证明了相位调谐的方式的有效性。

图 4位开关线数字移相器的拓扑结构

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