本文介绍了一项关于17.7–19.2 GHz接收机前端的研究，该研究由浙江大学海洋电子与智能系统研究所的Min Li、Huiyan Gao、Nayu Li、Shaogang Wang、Zijiang Zhang、Peidi Chen、Ningjie Wei、Xiaopeng Yu、Qun Jane Gu、Chunyi Song和Zhiwei Xu等人共同完成，并于2023年3月发表在《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》期刊上。该研究提出了一种具有自适应模拟温度补偿方案的八单元接收机前端，旨在解决相控阵系统中温度变化对前端性能的影响。

研究背景

相控阵系统在5G通信、卫星通信、雷达和传感器应用中展现出巨大潜力。由于硅基工艺具有高集成度和低成本的优势，广泛应用于相控阵设计中。然而，相控阵前端的性能对温度变化非常敏感，温度升高会导致前端增益下降，进而影响系统的整体性能。传统的温度补偿方法通常需要复杂的校准过程或昂贵的冷却设备，增加了系统的成本和复杂性。因此，研究团队提出了一种自适应模拟温度补偿方案，旨在减少温度变化对接收机前端增益的影响，并简化校准过程。

研究方法

研究团队设计了一种八单元、支持1-2个并发波束的接收机前端，采用65纳米CMOS工艺实现。每个波束使用一个温度补偿可变增益放大器（TC-VGA），以最小化温度引起的增益变化。TC-VGA通过自适应模拟控制实现增益的稳定，能够在-15°C至85°C的温度范围内保持增益的稳定性。研究团队还详细介绍了前端的架构和电路设计，包括宽带增益响应、精确的相位和幅度控制、低功耗以及自适应模拟温度补偿的实现。

研究流程

1. 电路设计与实现：研究团队设计了TC-VGA的电路结构，并通过仿真验证了其性能。TC-VGA采用Gilbert单元结构，通过调节顶部晶体管的偏置电压来实现增益的调节。为了确保增益随温度变化的线性特性，研究团队设计了一个温度补偿控制电路，该电路由温度系数合成器（TCS）和自适应偏置生成器（ABG）组成。

2. 芯片制造与测试：研究团队在65纳米CMOS工艺下制造了八单元接收机前端芯片，并通过晶圆探针测试对其性能进行了测量。测试结果表明，该芯片在17.7–19.2 GHz频段内具有28 dB的功率增益、26%的3 dB分数带宽、3.2–4.1 dB的噪声系数（NF）以及-27.4 dBm的输入1 dB增益压缩点（IP1dB）。

3. 温度补偿性能测试：研究团队在不同温度下对芯片进行了测试，结果表明，采用TC-VGA的接收机前端在-15°C至85°C的温度范围内，增益温度系数为±0.005 dB/°C，而未采用温度补偿的增益温度系数为-0.1 dB/°C。这表明TC-VGA能够有效减少温度变化对增益的影响。

主要结果

• 增益稳定性：在-15°C至85°C的温度范围内，接收机前端的增益变化仅为±0.5 dB，对应的增益温度系数为±0.005 dB/°C。
• 噪声性能：单通道噪声系数（NF）在17.7–19.2 GHz频段内为3.2–4.1 dB。
• 线性度：输入1 dB增益压缩点（IP1dB）在17.7–19.2 GHz频段内为-28.6至-27.2 dBm。
• 相位和幅度控制：7位相位移相器的相位误差小于1.6°，6位衰减器的幅度误差小于0.22 dB。

研究意义

该研究提出的自适应模拟温度补偿方案能够显著减少温度变化对相控阵接收机前端性能的影响，简化了校准过程，避免了昂贵的冷却设备的使用。该方案在5G通信、卫星通信等领域具有广泛的应用前景，能够提高相控阵系统在复杂温度环境下的稳定性和可靠性。

研究亮点

• 创新的温度补偿方案：研究团队提出的TC-VGA通过自适应模拟控制实现了增益的稳定，能够在宽温度范围内保持增益的线性变化。
• 高性能的接收机前端：该接收机前端在17.7–19.2 GHz频段内表现出优异的增益、噪声和线性度性能，且功耗较低。
• 简化校准过程：相比传统的数字校准方案，该方案通过模拟控制避免了增益和相位的突变，简化了校准过程。

结论

该研究成功设计并实现了一种具有自适应模拟温度补偿功能的17.7–19.2 GHz接收机前端，能够在宽温度范围内保持增益的稳定性。该方案不仅提高了相控阵系统的性能，还简化了校准过程，具有重要的科学和应用价值。