解读：W波段64通道相控阵微系统设计与实现（上）

闰木 2024-05-23 发布于四川

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Science & Technology

引言

相控阵微系统

W波段频率高、波长短，能够获得很高的分辨率，又具有透射率高的大气窗口和大带宽，使得W波段相控阵雷达在汽车雷达、回程通信和毫米波成像等领域得到了广泛应用。

片上雷达指的是将雷达收发机集成到单个芯片上的技术，早期的片上雷达大多由GaAs工艺实现。近年来，硅基工艺下晶体管的特征频率与最高振荡频率显著提升，基于硅基工艺的射频相控阵系统集成技术已经成为高性能毫米波雷达的一个重要的研究方向。针对二维集成来说，从最早的单片4通道、8通道阵列，很快发展为单片16通道、32通道与64通道阵列。最早的芯片相控阵大多不包含天线，因此在单元硅芯片与平面天线阵之间有传输线馈电网络。这就需要在硅芯片与馈电网络之间有毫米波转换：通常采用倒装焊技术结合多层基板，或者采用在硅芯片表面的聚酰亚胺(Polyimide, PI)再布线层(Redistribution Layer, RDL)实现晶圆级封装(Wafer-Level Package, WLP)或芯片级封装(Chip-Scale Package, CSP)。然而，转换以及馈电网络附加了较大的损耗，在60～80 GHz的16通道损耗约为2～4 dB，又容易引入电磁耦合从而降低天线方向图性能。并且，由于多余损耗和复杂的馈电网络使得通道数不易扩展。多层特氟隆和低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic, LTCC)基板在毫米波频段价格与硅芯片差不多，会使前端系统价格翻倍。三维集成晶圆级相控阵可解决复杂的分布网络问题，晶圆级天线层直接覆盖在硅基片上，每个天线均由相对应的相控阵单元直接激励，这种方式可使有源部分和天线单元在空间分布上属于层叠结构，所占面积可约等于硅芯片面积，从而可以扩展至更大规模数量的单元。另外，具有N通道的相控阵系统能够让天线的等效全向辐射功率(Equivalent Isotropically Radiated Power, EIRP)增加至20logN dB，削弱了相控阵系统整体对单通道的输出功率依赖。因此，大规模集成相控阵微系统能够充分发挥硅基芯片集成度高、成本低的优势，也很大程度上弥补了硅基多功能芯片功率低的短板，展现出了低成本和高性能的解决方案。

本文介绍了一款W波段的片上封装天线相控阵微系统模块。该相控阵天线系统采用硅基三维集成的方式将16个四通道多功能芯片与64个天线单元集成在一个微系统模块中，具有高集成度、高性能、低成本的特点，可满足无人机等平台对小型化、高分辨率通信、成像设备的需要。

毫米波收发芯片设计

图1、图2分别是W波段四通道接收/发射芯片的系统框图和芯片照片，每个芯片包含4个通道；对于接收芯片，接收到的信号由低噪声放大器放大并抑制噪声，再由移相器处理获得相移并产生相对延迟。功率合成器将四路信号进行合成处理；对于发射芯片，射频输入信号先由功率分配器将一路信号分配到四路，信号经移相器进行相移处理后，再由功率放大器对其进行放大。此外，还集成了具有高低温温度补偿功能的偏置电路和串行外设接口(Serial Peripheral Interface, SPI)，以分别提供所需要的偏置电压和数字控制信号。为提升毫米波收发芯片的性能，采用了如下关键技术:

(a) 系统框图

(b) 芯片照片

图1 四通道接收芯片

(a) 系统框图

(b) 芯片照片
图2 四通道发射芯片

1) 电感峰化型低噪声放大器设计：低噪声放大器是接收前端天线之后的第一个模块，其噪声系数对接收系统整体噪声系数起着最主要的影响。本设计采用三级级联的共射共基结构。第一级通过电感L7引入射级负反馈，配合电感L6，实现输入阻抗和噪声的同时匹配。并采用T型电感做负载，在工作带宽上引入了两个谐振点，拓展了带宽；第二、三级采用了不对称抽头电感做负载，不对称抽头电感的抽头端等效为负值电感，负值电感将第二、三级频带上的谐振点往工作频率上牵引，提升了放大器整体的增益和带宽。电路结构图如图3(a)所示。

2) 基于功率合成结构的功率放大器设计：作为发射前端的最后一个有源级，决定了整个系统的输出功率、效率和线性度。所提出的功率放大器采用三级伪差分共射共基放大器级联。输入端采用变压器巴伦实现信号的单端到差分以及阻抗匹配。级间变压器及差分传输线实现级间的阻抗匹配。输出端采用基于变压器的四路并联功率合成器，其结构对称性好，输出端表现出更好的幅相一致性，提升了功率合成的效率。三级放大器晶体管尺寸的选择符合功率放大器的推动比要求，有效避免了功率被前一级放大器压缩的同时保证了功率的最佳传输。每一级放大器采用伪差分结构，降低了毫米波频段地平面非理想因素的干扰，提高了放大器的稳定性。电路结构图如图3(b)所示。

3) 高精度有源移相器设计：移相器管控着相控阵收发芯片中的波束控制，它必须以高相移分辨率覆盖整个360°相移范围。提出了采用大规模数字校准的有源移相器，实现了6位高精度、低误差移相。设计采用了变压器巴伦以产生差分信号，Lange耦合器产生正交信号，二者级联匹配能产生低幅度误差和相位误差的正交信号。可变增益放大器给予正交信号不同的增益，并将四路信号矢量合成为一路，以获得所需的增益和相移。本设计中的4个可变增益放大器由4个5位数字模拟转换器(Digital-to-Analog Convertor, DAC)独立控制，配合自动化校准脚本，64(26)个最终的移相态从1 048 576(220)个中间移相态中选定，极大程度上克服了工艺误差，有效地提升了移相器的精度。电路结构图如图3(c)所示。

4) 高低温温度补偿设计：为了保证低噪声放大器能够具有较好的温度特性，其偏置电压由可进行高低温温度补偿的偏置电路提供，可补偿低温时异质结双极晶体管(Heterojunction Bipolar Transistor, HBT)增益的下降、高温时HBT增益的上升。在-45～125 ℃的工作范围内可以极大地提升增益的平坦度。温度补偿电路如图3(d)所示，利用两个串联的二极管接法的HBT，形成负温度系数电压，作为放大管的偏置电压。