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Ku波段微波单片集成电路6位数字衰减器设计

2020-02-09 17:42rf射频/无线 人已围观

简介微波单片集成电路(MMIC) 是用半导体工艺将有源元器件、无源元器件、分布网络元器件以及各种连接元器 件集成在同一片半导体芯片上,实现单一或者复杂组件功能。随着微波通讯技...

  微波单片集成电路(MMIC)是用半导体工艺将有源元器件、无源元器件、分布网络元器件以及各种连接元器  件集成在同一片半导体芯片上,实现单一或者复杂组件功能。随着微波通讯技术的发展,MMIC      以其小型紧凑、稳定性好、抗干扰能力强、批量生产成本低和产品性能一致性好等优点,在军事电子对抗以及民用通讯系统中得   到广泛应用。
  
  数字衰减器主要应用于现代相控阵系统收发(T/R)组件中,起到增益控制、多通道之间信号的平衡等功能。    它和移相器构成的幅相控制电路是 T/R 组件的核心部分,实现对信号相位和幅度的改变。数字衰减器的附加相移直接影响到幅相控制电路的移相精度,因此在要求数字衰减器在工作频带内满足衰减精度的同时,也要对附加   相移提出更高的要求。
  
  近年来,国内外对数字衰减器的文献报道有很多。2015 年,Dong-Hwan Shin 等研制了一款 Ku 波段 4 位数字衰减器],其衰减均方根误差小于 0.5 dB,附加相移为±5°。2012 年,南京理工大学戴永胜等研制了一款 2~18 GHz频段 6 位数字衰减器,其衰减均方根误差小于 1 dB,附加相移为−1.53°~+6.28°。2016 年,中国电子科技集团公司第十三研究所谢媛媛等研制了一款 DC~18 GHz 频段 6 位数字衰减器,其衰减均方根误差小于 0.7 dB,附加相移为−28°~ + 4°。以上三款芯片开关控制器件都采用 GaAs pHEMT 器件。GaAs pHEMT 器件比起 PIN 二极管和GaAs 金属半导体场效应晶体管(MESFET),导通插入损耗更小、速度更快、截止频率更高,因此已经成为研制数字衰减器的首选。
  
  基于 GaAs 0.25 μm E/D pHEMT 工艺, 本文研制了一款 Ku 波段 MMIC 6 位数字衰减器。该数字衰减器采用GaAs pHEMT 开关器件,通过 6 个基本衰减位级联组成,实现步进为 0.5 dB,最大衰减量为 31.5 dB 的衰减量控制。测试结果表明,在工作频带 12~18 GHz 内,数字衰减器的输入驻波比小于 1.35∶1,输出驻波比小于 1.5∶1,插入损耗小于 4.9 dB,衰减 64 态均方根误差小于 0.25 dB,附加相移为−0.5°~+9.5°。
  
  1 pHEMT 开关模型
  
  本文设计的数字衰减器由 pHEMT、微带线和电阻构成。pHEMT 在电路中起到开关作用,电阻对传输信号起到衰减作用。pHEMT 作为开关器件使用时, 栅极作为控制端,  源极和漏极作为射频输入和输出两端。其开关电路结构和其简化等效电路模型如图 1 所示,Rg 起到隔离信号的作用。
  图 1    开关电路及等效电路模型示意图
  通过控制 pHEMT 的栅极电压 Vg 来控制其源漏间的导通和截止状态。pHEMT 开关管只工作在截止区和线性区两个状态,几乎没有直流功耗,属于无源器件,其偏置电路十分简单,适用于微波高集成度控制电路的应用。如图 1 开关模型进行分析,当 Vg 为 0 V 时,等效电阻 R 很小,等效电容 C 较大,pHEMT 处于导通状态,其插入损耗的幅频特性十分平坦;当 Vg 为−5 V 时,等效电阻 R 较大,等效电容 C 较小,pHEMT 处于截止状态,其隔离度显示出了很强的频率相关性。pHEMT    开关特性主要受其栅宽大小的影响,栅宽越大,导通时插入损耗越小,但截止时隔离度会变差。
  
  2 电路设计
  
  数字衰减器的电路拓扑如图 2 所示,6 个基本衰减位都由独立的控制信号控制。根据基本衰减位的端口驻波特性,按照 0.5,4 ,2,8 ,1 dB 和 16 dB 的排列方式级联组成,实现步进为 0.5 dB,最大衰减量为 31.5 dB 的衰减量控制。
  图 2    数字衰减器的电路拓扑
  0.5 dB 和 1 dB 衰减位采用的是简化的 T 型衰减器结构,仅采用一个并联电阻进行衰减,开关选用两个小尺寸的管子串联而成。参考态时信号不衰减,SW2  截止,由于 SW2  的截止电容足够小,对于射频信号相当于开路,增加了隔离度;开关 SW2 导通时,衰减器工作在衰减态,并联支路到地电阻对信号进行衰减。该结构适用于小衰减位, 具有结构简单、插入损耗小等优点,且相比于传统的 T 型结构,版图实现面积更小,利于减小芯片尺寸。
  图 3    电阻衰减网络拓扑
  2 dB 采用的是开关 T 型衰减器结构,当处于参考态时,开关 SW1 导通,等效为电阻 Ron,开关 SW2 截止,等效为开路,衰减器可以近似为小电阻,信号的幅度与相位变化都不大;当处于衰减态时,开关SW1 截止等效为开路,开关SW2 导通,衰减器可等效为图 3(a)中的 T 型电阻衰减网络,其电阻的大小可以通过式(1)和式(2)得出。
  
  公式1
  
  式中:Z0 是特征阻抗,其数值为 50 Ω;L1 是所需要的衰减量,即 2 dB。
  
  4 dB 和 8 dB 采用开关 π 型衰减器结构,衰减态时等效为图 3(b)中的 π 型电阻衰减网络,其电阻大小可以通过式(3)和式(4)得出。(该结构虽然插入损耗较大,但具有衰减量大,工作频带宽、端口驻波特性好等优点。)
  
  公式2
  
  式中:Z0 是特征阻抗,其数值为 50 Ω;L2 是所需要的衰减量,即 4 dB 或 8 dB。
  
  为减少开关管寄生电容对衰减特性的影响, 16 dB 衰减位采用开关型衰减器结构。通过两对单刀双掷开关(SPDT)将信号在参考态和衰减态两条路径之间切换。衰减态时该路径仍可等效为 π 型电阻衰减网络,参考态时该路径实际版图设计采用了一段微带线来抵消衰减时引入的附加相移。该结构虽然增加了两对单刀双掷开关的插入损耗,但在整个带宽内有很好的衰减平坦度,减小了对相位的调制,同时避免了采用两个 8 dB 衰减结构级联达到 16 dB 衰减量的方式而引起的驻波恶化。
  
  3 测试结果
  图 4    数字衰减器芯片照片
  数字衰减器的芯片照片如图 4 所示,尺寸大小为 3.00 mm×0.75 mm。采用微波探针台、开关矩阵和矢量网络分析仪对芯片进行在片测试, 测试条件为: 栅极偏置电压 0/−5 V, 输入功率 Pin= −15 dBm。如图 5 和图 6 分别所示,在 12~18 GHz 频带内,数字衰减器在衰减 64 态下的输入驻波比小于 1.35∶1,输出驻波比小于 1.5∶1。如图 7 所示,数字衰减器在基态的插入损耗小于 4.9 dB。图 8 为数字衰减器衰减 64 态的相对衰减量,从中可以看出,其在整个频带内都具有较好的衰减平坦度。如图 9 所示, 数字衰减器在衰减 64 态下的衰减均方根误差小于0.25 dB。在工作频段内, 数字衰减器衰减 64 态的附加相移为−0.5°~ 9.5°, 如图 10 所示。其中衰减均方根误差ATTerr(RMS)为
  
  公式3
  
  式中:Mi 和 Pi(i=0,1,…,2N−1)分别为实际衰减量和理论值;N 为衰减器位数。
  
  4 结论
  图5~图8
图9~图10
  
  本文主要基于 GaAs E/D pHEMT 工艺研制了一款Ku 波段 MMIC 6 位数字衰减器芯片。芯片尺寸为 3.00 mm×0.75 mm。经在片测试结果显示, 在工作频带 12~18 GHz 内, 数字衰减器的输入驻波比小于 1.35∶1, 输出驻波比小于 1.5∶1, 插入损耗小于 4.9 dB, 衰减 64 态均方根误差小于 0.25 dB, 附加相移为−0.5°~ + 9.5°。该数字衰减器芯片具有较低的插入损耗和附加相移,高衰减精度和良好的衰减平坦度,可广泛应用于微波相控阵雷达收发组件等   领域。

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