硅基Ku波段数控移相器的设计

论文总字数：28756字

摘 要

在雷达领域的发展历程里，近些年来出现了相控阵雷达。相控阵雷达具有能跟踪多个目标的特点，并且保持着很高的探测精度，探测距离很远，也具有很强的抗干扰能力，在现代航空航天事业和国家防御等方面发挥着举足轻重的作用。其中的相控阵列有这很多个高性能的T/R模块。T/R模块中的移相器是一个重要部分，其在相控阵雷达中具有不可替代的作用。相控阵雷达能精确快速地改变发射信号的方向，因为它采用电扫描的方法来发射信号，而不是机械转动的方式。移相器也在一些无线通信和仪器仪表等领域发挥着作用。

本文主要研究了无源移相器的原理和设计方法，通过使用Cadence ic5141软件中的SP工具，设计了一个基于TSMC 0.18um CMOS工艺的Ku波段六位数控无源移相器。该移相器通过数字电路来控制其中的六个移相单元电路的通断，完成了步进为5.625°、总相移量为354.375°的六位移相功能。同时在15-17GHz范围内对所有64种移相状态具有较低的均方根相位误差和插入损耗波动，分别为小于等于3.86°和-0.5±1.5dB。插入损耗为18.2±2dB。

关键词：数控无源移相器，TSMC 0.18 um CMOS工艺，Ku波段

A 15-17GHz 6-bit Digitally Controlled Phase Shifter

Abstract

In recent years the development of radar in the field, prompts the emergence of phased array radar. Phased array radar with high accuracy, the detection distance, anti-interference ability, capable of tracking multiple targets characteristics, play a huge role in the modern aerospace industry and national defense construction. The phased array has a number of high-performance TR module. Phase shifter is an important component of TR module. It is an irreplaceable role in the phased array radar. It can make the phase array radar use the electronic scanning mode, change the antenna beam pointing quickly and accurately . Phase shifter also works in some wireless communications and instrumentation, and other fields.

This paper studied the principle and design method of the passive phase shifter , by using Cadence ic5141 software SP tools . A 6-bit digitally controlled phase shifter was designed based on TSMC 0.18 um CMOS technology . The total phase shift amount of the phase shifter is 354.375°. Meanwhile during the 15-17GHz range for all 64 kinds of phase shifting state, it has low insertion loss of 18.2 ± 2dB and the rms phase error is 3.86°.

Keywords: Digitally controlled passive phase shifter, TSMC 0.18 um CMOS, Ku-band

目 录

摘要………………………………………………………………………………………..2

Abstract………………………………………………………………………………….... 3

第一章 绪论 ……………………………………………………………………………..7

1.1 引言……………………………………………………………………………...7

1.2 移相器的背景和意义…………………………………………………………...7

1.3 移相器发展研究现状………………………………………………………….. 8

1.4 本课题的主要工作和预期要求……………………………………………….10

1.5 论文内容介绍………………………………………………………………….10

第二章 移相器概述……………………………………………………………………..11

2.1 移相器的原理和种类………………………………………………………….11

2.1.1 模拟式移相器和数字移相器…………………………………………..12

2.1.2 半导体移相器和铁氧体移相器………………………………………..12

2.1.3 反射型移相器、传输型移相器和平衡式移相器……………………..12

2.1.4 加载线型移相器和开关型移相器……………………………………..13

2.1.5 有源型移相器和无源型移相器………………………………………..13

2.1.6 微机电移相器、矢量调制移相器和整体移相器……………………..13

2.2 移相器的制作工艺…………………………………………………………….14

2.3 移相器的性能指标…………………………………………………………….15

2.3.1 工作带宽………………………………………………………………..15

2.3.2 相移量…………………………………………………………………..15

2.3.3 插入损耗………………………………………………………………..15

2.3.4 插入损耗波动…………………………………………………………..15

2.3.5 电压驻波比……………………………………………………………..15

2.3.6 回波损耗………………………………………………………………..16

2.3.7 均方根相位误差………………………………………………………..16

2.3.8 其他性能指标…………………………………………………………..16

1. 数控移相器的电路设计及仿真………………………………………………17

3.1 仿真软件Cadence的简单介绍……………………………………………….17

3.2 数控移相器的设计方案分析………………………………………………….17

3.3 移相单元电路的设计…………………………………………………………20

3.3.1 5.625°、11.25°、22.5°和45°移相单元的电路设计…………………..20

3.3.2 90°和180°移相单元的电路设计………………………………………21

3.4 移相单元电路的前仿真………………………………………………………22

3.4.1 5.625°移相单元电路仿真………………………………………………22

3.4.2 11.25°移相单元电路仿真………………………………………………22

3.4.3 22.5°移相单元电路仿真………………………………………………..23

3.4.4 45°移相单元电路仿真………………………………………………….23

3.4.5 90°移相单元电路仿真………………………………………………….24

3.4.6 180°移相单元电路仿真………………………………………………...24

3.4.7 六个移相单元电路仿真结果…………………………………………..25

3.5 总电路的优化……………………………………………………………….....25

3.6 总电路的前仿真…………………………………………………………….....26

3.6.1 64种移相状态的相移量仿真结果……………………………………..26

3.6.2 64种移相状态的插入损耗仿真结果…………………………………..28

3.6.3 64种移相状态的插入损耗波动仿真结果……………………………..28

3.6.4 64种移相状态的输入回波损耗仿真结果……………………………..28

3.6.5 64种移相状态的输出回波损耗仿真结果……………………………..29

3.6.6 前仿真数据统计………………………………………………………..29

1. 数控移相器的版图设计………………………………………………………..32

4.1 版图原理图对比LVS……………………………………………………….....34

4.2 设计规则检查DRC…………………………………………………………....35

第五章 结论……………………………………………………………………………36

致谢……………………………………………………………………………………..38

参考文献………………………………………………………………………………..39

第一章 绪 论

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