【摘 要】
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近年来,由于汽车普及导致道路安全问题频发,人们对运动检测、防碰撞及自适应巡航控制等道路安全系统的需求不断增长。除激光雷达和红外雷达外,毫米波汽车雷达以其探测距离远、抗干扰能力强、穿透性好、分辨率高等优点而受到人们的广泛关注。低成本、全集成77/79 GHz CMOS毫米波汽车雷达系统已成为一个研究热点。本文采用55 nm CMOS工艺,对76-81 GHz汽车雷达系统多通道相控阵发射机开展了研究,
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近年来,由于汽车普及导致道路安全问题频发,人们对运动检测、防碰撞及自适应巡航控制等道路安全系统的需求不断增长。除激光雷达和红外雷达外,毫米波汽车雷达以其探测距离远、抗干扰能力强、穿透性好、分辨率高等优点而受到人们的广泛关注。低成本、全集成77/79 GHz CMOS毫米波汽车雷达系统已成为一个研究热点。本文采用55 nm CMOS工艺,对76-81 GHz汽车雷达系统多通道相控阵发射机开展了研究,主要内容如下:（1）分析毫米波调频连续波（FMCW）雷达系统的基本工作原理,设计了76-81 GHz八通道相控阵发射机系统,根据探测距离、探测分辨率以及探测速度等关键指标,完成了76-81 GHz FMCW雷达的链路预算。（2）设计、流片验证了两款用于76-81 GHz汽车雷达系统的宽带功放:单路功率放大器（PA1）和两路合成功率放大器（PA2）。考虑内部结构寄生及外部器件互连影响,设计了一个新型大尺寸的毫米波功率单元。采用中和电容技术消除负反馈电容CGD,利用级间电感实现共源、共栅管阻抗匹配。根据片上集成变压器极点理论,提出毫米波功放耦合谐振峰值控制技术,提高功率放大器的增益及带宽。芯片测试结果表明,在80 GHz频率处,PA1小信号增益为16.4 d B,3-d B带宽为74-83 GHz。在85 GHz频率处,PA2小信号增益为16.1 d B,3-d B带宽为73-89 GHz,并且有良好的输入、输出匹配性能。大信号测试分别在76 GHz、78 GHz和80 GHz三个频点进行:PA1在80 GHz频率处,Psat为15.5 d Bm,峰值PAE为12.5%。PA2在80 GHz频率处,Psat为18 d Bm,峰值PAE为12.6%,实现毫米波功率合成的目标。（3）设计了八通道76-81 GHz汽车雷达系统全射频相控阵。其中相移器采用5-bit开关型无源相移结构,优化了五个相移单元顺序,最小化相邻段之间的负载效应,改善输入、输出匹配,获得最佳的方均根相位误差（RMS Phase Error）和方均根增益误差（RMS Gain Error）。后仿真结果表明,TT工艺角,76-81 GHz频率范围内,32种相移状态下的插入损耗为-14～-10 d B,方均根相位误差为1.77°-2.37°,方均根增益误差为0.51-0.71 d B,输入、输出回波损耗均小于-10 d B。为弥补威尔金森功分器和无源开关型相移器的插入损耗,本文在流片测试验证的基础上,设计了一款用于76-81 GHz汽车雷达系统的三级共源共栅结构的功率放大器（PA3）。后仿真结果表明,TT工艺角,PA3的小信号增益为33 d B@79 GHz,3-d B带宽为6.5 GHz,同时具有良好的输入、输出匹配性能。大信号仿真在78GHz频率进行,饱和输出功率为15.2 d Bm,峰值PAE为12.6%。完成了八通道76-81 GHz汽车雷达系统相控阵发射机芯片的整体设计。后仿真结果表明,TT工艺角、76-81 GHz频率范围内,发射机通道在不同相移状态下,小信号峰值增益为28～33 d B,方均根相位误差为2.35°-3.85°,方均根增益误差为0.63-0.8 d B,S22均优于-10 d B。32种相移状态下的输出功率为14.2-14.6 d Bm。在-50°～50°方位角范围内完成发射波束控制。当发射角度为（16）（15）（13）（20）°时,可得Peak-to-Null比值大于20d B,Peak-to-Peak比值大于12 d B,Beamwidth-3d B为6°。
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