- 文献综述（或调研报告）：
- 毫米波相控阵系统
下一代通信系统（5G通信）希望能通过更快的数据速率，更低的延迟和更好的链路稳定性来进一步提高用户的体验[1]。毫米波相控阵具有几个无可替代的优势：毫米波解决了低频频谱资源不足的问题；波束成形增大了基站覆盖距离；多波束为多址提供了便利。它提供了一条基站和移动设备之间的可供多个用户使用的宽带、高速的定向路径。为实现这一目标，基于相控阵的超微蜂窝系统必须提供大量精确控制的波束，同时要求结构紧凑且功耗小。这些系统目标会受毫米波无线电接口影响，例如射频集成电路（RFIC） 天线阵列的扩展性，增加并行的波束数量的同时保证双极性、精确的波束控制，在不牺牲效率的前提下提高输出功率。
一种典型的相控阵收发机系统结构如图1所示[2]。整个系统包括低噪声放大器（LNA）、功率放大器（PA）、衰减器（ATT）或可变增益放大器（VGA）、功率合成/分配器（PDC）。在相控阵应用中，要求可变增益放大器（VGA）或衰减器为天线辐射模式中的旁瓣提供精确的幅度控制。在保证增益控制精度的同时，也不能产生太大的相位波动，这样才能减轻整个相控阵单元相位校准的负担。另外，VGA的输入/输出阻抗需要保证一定的稳定性，如此才不会给前后级电路带来额外的增益或相位波动。
图1 典型的相控阵收发系统
- 常见的VGA结构
VGA主要可以分为两种类型。由于VGA的增益可以用等效输入跨导和输出电阻的乘积（）来表示，所以我们可以通过改变跨导或是改变输出电阻来达到改变增益的目的。如图2所示[3]，该设计中VGA的增益调节就是通过改变负载电阻的大小来实现的。其中，可变负载通过一组工作在线性区的NMOS管实现，每个开关都可以单独地控制管子的开闭状态，从而实现不同的负载电阻大小。当处于最大增益模式时，所有开关都处于关闭状态；当处于最低增益模式时，所有管子都处于开启状态。而图3所展示的则是另外一种改变增益的方式[4]，即通过改变偏置电流来控制增益。图4所展示的是本设计所采用的一种VGA结构[5]，该结构的增益步长由共源共栅晶体管的开关阵列的宽度比决定，它能够保证非常好的增益步长精度以及在不同的增益模式下较小的输入/输出阻抗和插入相位变化。该结构是通过控制流入输出端的交流电流大小来控制增益。
图2 低噪VGA的结构图
图3 通过改变偏置电流控制增益的VGA结构
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