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。

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