應用于收發鏈路多模塊級聯的優化設計方法
電子技術應用
余秋實，郭潤楠，陳昊，莊園，梁云，閆昱君，吳霞，葛逢春，王維波，陶洪琪
南京電子器件研究所 固態微波器件與電路全國重點實驗室
摘要： 為解決波束賦形芯片中子電路模塊由于寄生效應而導致的級聯失配問題提出了一種優化設計方法。該設計方法通過主動引入相鄰器件阻抗牽引效應，并使其與級聯阻抗失配相抵消從而實現阻抗“預失配”的設計方案。對“預失配”的技術原理以及設計流程進行了簡要分析，并通過加工一款采用優化設計方案的4通道X/Ku波段的射頻收發芯片，驗證了該設計方案的可實現性與有效性。在8 GHz~18 GHz頻帶范圍內，該芯片與基于端口駐波設計體系的原芯片相比，收發鏈路增益分別為6.5 dB和14 dB，提升了超過2 dB。發射鏈路輸出功率21 dBm，發射效率為15.7%，分別提升了1 dB和9%。接收鏈路噪聲系數為8.72 dB，降低了1.2 dB。收發鏈路最大移相均方根誤差為5.12°和5.25°，分別下降了3.17°和1.75°。
中圖分類號：TN454 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.244892
中文引用格式： 余秋實，郭潤楠，陳昊，等. 應用于收發鏈路多模塊級聯的優化設計方法[J]. 電子技術應用，2024，50(5)：77-83.
英文引用格式： Yu Qiushi，Guo Runnan，Chen Hao，et al. An optimization design scheme applied to multi-modules cascading of transceiver IC[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(5)：77-83.
中文引用格式： 余秋實，郭潤楠，陳昊，等. 應用于收發鏈路多模塊級聯的優化設計方法[J]. 電子技術應用，2024，50(5)：77-83.
英文引用格式： Yu Qiushi，Guo Runnan，Chen Hao，et al. An optimization design scheme applied to multi-modules cascading of transceiver IC[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(5)：77-83.
An optimization design scheme applied to multi-modules cascading of transceiver IC
Yu Qiushi，Guo Runnan，Chen Hao，Zhuang Yuan，Liang Yun，Yan Yujun，Wu Xia，Ge Fengchun， Wang Weibo，Tao Hongqi
National Key Laboratory of Solid-state Microwave Devices and Circuits，Nanjing Electronic Devices Institute
Abstract： In this paper, a novel optimization design scheme is proposed to solve the cascading mismatch problem of sub-circuits in beamforming chips due to parasitic effects. The optimization design scheme proposed in this paper is a design scheme that realizes impedance “pre-mismatch” by introducing the impedance traction effect of adjacent modules and offsetting it with the cascade impedance mismatch. The theory of the “pre-mismatch” technique is provided in the article and a 4-channel X/Ku-band RF transceiver chip has been fabricated to verify the feasibility and effectiveness of this scheme. Compared to conventional designs, the chip operates within the frequency band of 8 GHz~18 GHz, with the receive and transmit average link gains of 6.5 dB and 14 dB, respectively. Both transceiver link gains are increased by more than 2 dB. The transmit link output power is 21 dBm and power-added efficiency is 15.7%，optimized by 1 dB and 9%. The receive link noise figure of 8.72 dB is reduced by 1.2 dB. The maximum phase-shifted root-means-square errors of the transceiver link are 5.25°and 5.12°, with a decrease of 1.75° and 3.17°.
Key words : multi-modules cascading；X/Ku-band；GaAs pHEMT；Monolithic Microwave Integrated Circuit （MMIC）；phased array transceiver
引言
隨著電子信息技術不斷發展，越來越多的電子設備終端采用了相控陣體制。作為相控陣系統中的關鍵器件，波束賦形芯片通常由包括放大器、移相器、衰減器等子電路模塊組成[1]。傳統設計中為了簡化級聯設計，這些子電路模塊端口通常都被匹配至標準50 Ω負載。然而由于寄生效應的存在使得子電路模塊端口阻抗往往不能完美匹配到50 Ω[2]，特別是在一些寬帶應用場景中。這種非完美的阻抗匹配會使得各子電路模塊間產生失配，導致鏈路性能的下降。因此，如何減少模塊間級聯失配導致的性能下降成為熱門研究課題。
在傳統收發組件的設計中，為了盡可能減少失配問題，針對單個子電路模塊提出了多種優化方案，包括采用算法優化匹配技術[3]、多頻選擇寬帶匹配技術[4]，以及針對多態器件的優化單元排序[5]和單元低插損設計方法[6]。通過上述設計方法，可以有效降低單個子電路模塊的端口失配，但是這些設計方案僅僅聚焦于單個子電路模塊。在收發組件中，由于多個子電路模塊在級聯時會產生阻抗牽引，使得模塊之間相互影響。即便經過了上述的單模塊優化方案，隨著級聯的模塊越來越多，各模塊端口的失配誤差也會在鏈路中不斷積累，最終導致鏈路性能進一步惡化[7]。因此在收發鏈路中的多模塊級聯設計時，需要采用一種全局性的阻抗匹配策略。
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作者信息：
余秋實，郭潤楠，陳昊，莊園，梁云，閆昱君，吳霞，葛逢春，王維波，陶洪琪
（南京電子器件研究所 固態微波器件與電路全國重點實驗室，江蘇 南京 210016）
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