基于22nm FD-SOI技术的Ka波段射频收发波束成形器

楼市 2024-11-08 23:32 重庆

博士论文：基于22nm FD - SOI技术的Ka波段射频收发波束成形器（Ka Band Transmit and Receive RF-Beamformers on 22nm FD-SOI Technology for Communication and Radar Systems）

**作者**：Sultan Awad Ali Alqarni

## 一、研究背景随着固态器件发展，对高性能电路和系统集成需求增加，相控阵收发器因能提供电子控制波束、空间功率合成等优势而被广泛应用。本文聚焦于在22nm全耗尽绝缘体上硅（FD - SOI）技术上实现Ka波段的射频收发波束成形器，以满足通信和雷达系统需求。

## 二、研究目的实现Ka波段的接收和发射波束成形器，达到足够增益、低噪声系数、高饱和功率和高效率等性能指标，并实现精确的相位和增益控制。

## 三、研究内容### （一）Ka波段接收波束成形器1. **架构** - 采用模拟组合架构，由低噪声放大器（LNA）、衰减器、增益放大器和相位 shifter组成。LNA将单端输入转换为差分输出，衰减器提供0 - 15.5dB的衰减，增益放大器补偿衰减和相位shifter的损耗，相位shifter实现0 - 355度的相位调整。

2. **组件设计** - **低噪声放大器（LNA）**：采用两级电感退化共源共栅结构，优化噪声匹配和功率匹配，通过调整器件尺寸和电流密度来平衡噪声系数、增益和功耗。

- **增益放大器**：与LNA第二级相似，但重新设计输入匹配网络，通过增加栅极电感或电容来实现匹配，同时要考虑对增益和噪声系数的影响。

- **相位shifter**：由六个无源级组成，实现180 - 5.6度的相位调整，开关采用最小特征长度以降低损耗，但会影响线性度。设计中需匹配各相位状态下的损耗，减小相位和增益误差的标准差。

- **衰减器**：采用“Pi”模型，对称结构，具有低通频率响应，通过优化开关和电感参数来实现衰减和匹配，同时保持相位稳定，衰减器的使用会增加噪声系数。

3. **集成与测量** - 将各组件集成到单个通道，通过测量不同偏置、衰减和相位状态下的性能，验证了设计的有效性。在典型偏置下，接收机噪声系数约为3dB，功耗60mW，IP - 1dB高于 - 21dBm，衰减器增益误差标准差小于0.3dB，相位shifter相位误差标准差在27GHz时小于1.5度。

### （二）Ka波段发射通道1. **架构** - 由三级功率放大器、增益放大器、相位shifter和衰减器组成。功率放大器提供高增益以降低后级输入功率，增益放大器补偿无源元件损耗并提供匹配和隔离，相位shifter和衰减器实现相位和幅度控制。

2. **功率放大器设计** - 三级功率放大器均工作在AB类，最后一级更接近B类以提高效率，各级通过电压分配器实现偏置，晶体管尺寸根据所需电流和最大电压0.8V选择。匹配网络通过负载牵引和源牵引优化，考虑了电磁提取和稳定性因素，部分级采用共模抑制电感和中和电容提高线性度。

3. **通道测量** - 测量了衰减和相位状态、连续波功率和效率以及调制信号的误差矢量幅度（EVM）。在典型条件下，通道增益为26.9dB，带宽4.3GHz，OP - 1dB为15.5dBm，效率12.5%。对于64 - QAM - 100MHz调制信号，在EVM为3.7%时效率高于7.5%，通过调整电源电压可优化性能。

## 四、研究结论### （一）接收波束成形器- 实现了低噪声、高增益和精确的相位与增益控制，与其他类似波束成形器相比具有一定优势，如在噪声系数、功耗和IP - 1dB等方面表现较好。在典型条件下，噪声系数保持在3dB，增益为15dB，功耗60mW，IP - 1dB为 - 18dBm，OP - 1dB为 - 3dBm。

### （二）发射通道- 达到了较高的效率和输出功率，在不同调制和偏置条件下性能稳定。随着技术发展，如向B类工作模式靠近，效率可进一步提高，在典型偏置下，对于64 - QAM - 100MHz调制信号，EVM为5.6%时效率为9.8%。

## 五、研究贡献1. 成功设计并实现了基于22nm FD - SOI技术的Ka波段收发波束成形器，为该领域提供了新的技术方案和设计参考。

2. 详细分析了各组件的设计和性能，为高性能射频前端电路的研究提供了理论和实践依据。

## 六、未来研究方向1. 进一步优化波束成形器的性能，如提高效率、降低噪声、增加线性度等，以满足更复杂的通信和雷达系统需求。

2. 研究更先进的技术和算法，如数字波束成形（DBF）与模拟波束成形的结合，以提高波束控制的灵活性和精度。

3. 探索在不同应用场景下的适应性和优化方案，如卫星通信、5G毫米波通信等。

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI0MTQ3NTM0OA==&mid=2247501579&idx=3&sn=d633738b104fac2aa7cf24e0b6084b37

IP Liberator

致力于打造集成电路IP共享平台，包括Analog/Mixed/RF/Digital IP。

最新文章

艾尔默斯（Elmos）的产品树

ISSCC 2025 Advance Program

瑞发科的产品树

磁性随机存储器(MRAM) 公司名单

产品篇：优秀的微控制器芯片系列

美国的高超音速武器

美军的现代信息战

美军的无人机智能作战

TI篇：AC/DC和DC/DC转换器（集成FET）车规产品特点及技术优势

TI篇：AC/DC和DC/DC控制器（外部FET）车规产品特点及技术优势

产品篇：优秀的传感器芯片系列

美国的大语言模型及军事应用

国外的智能化导弹

国外的可重复使用运载火箭

国外的激光武器

国外的新型洲际弹道导弹

国外的反隐身雷达

国外的精确制导技术

美国的电子战系统

日本的电子战系统

美国的认知电子战技术

国外的军事卫星通信技术

美俄的导弹预警卫星系统

俄罗斯的电子战系统

SpaceX星链的激光通信技术

国外的反卫星技术

国外的量子技术军事应用

国外的星间链路技术

AI解答：加拿大集成电路相关高校

AI解答：加拿大的集成电路相关企业

RISC-V Needs More Secure “Wheels”!

Treo平台：业界最先进的模拟和混合信号平台

一场汽车芯片供需对接会......

产品篇：优秀的时钟相关芯片系列

产品篇：优秀的RS-232/422/485接口芯片系列

产品篇：优秀的温度传感器芯片系列

意法半导体（ST）技术与制造战略规划概述

产品篇：优秀的数据转换器芯片系列

产品篇：优秀的线性稳压器芯片系列

奔驰某车身控制模块的芯片清单

简聊国芯科技的线控底盘专用驱动芯片

产品篇：优秀的隔离芯片系列

产品篇：优秀的栅极驱动芯片系列

产品篇：优秀的电机驱动器芯片系列

车规MCU芯片（RISC-V核）相关企业

辉羲智能的智能驾驶芯片

辽宁半导体相关业务企业名单

普冉半导体的产品树

国内半导体晶圆厂（转载）

国内多家模拟芯片设计企业（转载）

分类

时事

民生

政务

教育

文化

科技

财富

体娱

健康

情感

旅行

百科

职场

楼市

企业

乐活

学术

汽车

时尚

创业

美食

幽默

美体

文摘

原创标签

时事社会财经军事教育体育科技汽车科学房产搞笑综艺明星音乐动漫游戏时尚健康旅游美食生活摄影宠物职场育儿情感小说曲艺文化历史三农文学娱乐电影视频图片新闻宗教电视剧纪录片广告创意壁纸头像心灵鸡汤星座命理教育培训艺术文化金融财经健康医疗美妆时尚餐饮美食母婴育儿社会新闻工业农业时事政治星座占卜幽默笑话独立短篇连载作品文化历史科技互联网

发布位置

广东北京山东江苏河南浙江山西福建河北上海四川陕西湖南安徽湖北内蒙古江西云南广西甘肃辽宁黑龙江贵州新疆重庆吉林天津海南青海宁夏西藏香港澳门台湾美国加拿大澳大利亚日本新加坡英国西班牙新西兰韩国泰国法国德国意大利缅甸菲律宾马来西亚越南荷兰柬埔寨俄罗斯巴西智利卢森堡芬兰瑞典比利时瑞士土耳其斐济挪威朝鲜尼日利亚阿根廷匈牙利爱尔兰印度老挝葡萄牙乌克兰印度尼西亚哈萨克斯坦塔吉克斯坦希腊南非蒙古奥地利肯尼亚加纳丹麦津巴布韦埃及坦桑尼亚捷克阿联酋安哥拉