X波段GaN基五位数字移相器MMIC的设计-材料科学与工程专业论文.docxVIP

学校代码 分 类 号  10701 TN43 学 号 1205122237 密 级 公开 TN82西安电子科技大学 TN82 硕士学位论文 X 波段 GaN 基五位数字移相器 MMIC 的设计 作者姓名：钟楠楠 一级学科：材料科学与工程 二级学科：材料学 学位类别：工学硕士 姓名、职称：马晓华教授 提交日期：2014 年 12 月 Design of an X-band GaN-based 5-bit digital phase shifter MMIC A thesis submitted to XIDIAN UNIVERSITY in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master in Materials Science and Engineering By Zhong Nannan Supervisor: Prof. Ma Xiaohua December 2014 西安电子科技大学 学位论文独创性（或创新性）声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内 容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文若有不实之处，本人承担一切法律责任。 本人签名： 日 期： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。学校有权 保留送交论文的复印件，允许查阅、借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分 内容，允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，获得学位 后结合学位论文研究成果撰写的文章，署名单位为西安电子科技大学。 必威体育官网网址的学位论文在 年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日 期： 日 期： 摘要 摘要 西安电子科技大学硕士学位论文 西安电子科技大学硕士学位论文 摘要 移相器是一种可以将输入信号的相位改变为另一种特定的新相位的功能电路。 移相器是相控阵雷达等微波系统中的关键部件之一，由于成本的限制，一般只限 于军事应用以及高端商用领域。相比较于模拟移相器，数字移相器受到控制电压 的噪声以及温度漂移的影响更小，所以数字移相器愈来愈广泛地应用于有源相控 阵天线中。微波数字移相器绝大多数是以 III–V 族平面集成电路工艺实现的。然而， 宽禁带半导体器件工艺方面取得的巨大进展为制作高功率、紧凑及低成本的移相 器提供了巨大的潜力。特别地，近年来涌现的以 GaN HEMT 为代表的第三代半导 体器件以其极高的工作温度（~600 °C）、高击穿电压（~100 V）和高电流密度（~1.5 A/mm）等优良特性成为制作高性能数字移相器等微波单片集成电路应用最重要的 选择。因此，开展移相器原理理论的研究，设计并研制 GaN 基 MMIC 移相器，具 有重要的现实意义。 在此背景下，本论文对移相器的基本工作原理、常见的几种不同类型拓扑结 构的数字移相器及其设计方法做了较全面的介绍。并在分析 GaN HEMT 开关原理 的基础上，对应用于移相器开关器件的选择提出了建议，随后设计了一款适用于 高通/低通滤波器型移相器的单刀双掷开关电路。在移相器原理分析的基础上，结 合自主生产的 GaN HEMT 开关器件的测试数据，设计了 X 波段五位数字移相器 MMIC 电路。本论文的主要研究成果如下： ①对自主研制的栅宽为 0.5um 的 GaN HEMT 开关器件进行了小信号测试，并 表征了不同栅宽的开关器件在串并联配置下的开关性能，随后给出了适用于移相 器的开关器件的选择建议。基于 GaN HEMT 开关管的小信号参数，利用 ADS 设 计了一款适用于高通/低通滤波器型移相器的 SPDT 开关电路，随后结合实际 MMIC 工艺线，使用 L-Edit 软件合理设计了完整的单刀双掷开关版图。 ②基于自主研制的 GaN HEMT 器件的开关性能和设计指标，选择出了各移相 位单元的合理拓扑结构。其中，11.25°和 22.5°移相位采用加载线型结构，45°移相 位单元采用全通网络型拓扑结构，90°和 180°移相位采用高通/低通滤波器型拓扑结 构。利用 ADS 分别对每一个移相位单元电路进行设计优化和大量的电磁场仿真， 直至达到设计指标。随后，将五个移相位单元版图仿真结果进行级联仿真，在保 证整体性能的前提下，选择出版图占