(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，石家莊 050051)

0 引言

隨著通信系統(tǒng)的飛速發(fā)展，相控陣技術(shù)在通信系統(tǒng)中得到廣發(fā)應(yīng)用，收發(fā)組件是相控陣系統(tǒng)的核心部件，毫米波通信雷達(dá)由于其工作頻率高、工作頻帶寬、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，更加受到關(guān)注和研究[1-2]，尤其在機(jī)載探測(cè)雷達(dá)、車載導(dǎo)航系統(tǒng)、導(dǎo)彈追蹤系統(tǒng)以及衛(wèi)星通信、信息對(duì)抗等領(lǐng)域，具有廣闊的前景。

毫米波頻段由于其頻率高、波長(zhǎng)短，易受電路單元寄生參數(shù)的影響等特點(diǎn)，給毫米波射頻單元的設(shè)計(jì)帶來了困難，陣列合成設(shè)計(jì)中為實(shí)現(xiàn)波束柵瓣的抑制和大掃描角，天線單元間距很小，相應(yīng)地也限制了其收發(fā)組件的通道間距尺寸，使得毫米波組件對(duì)內(nèi)用器件尺寸提出了極高要求[3-5]。

文中提出了一種Ka波段雙路移相衰減多功能芯片的設(shè)計(jì)方案，該芯片集成雙路6位移相器和雙路6位衰減器，以及開關(guān)、一分二功分器和串行驅(qū)動(dòng)器等功能器件，旨在解決多通道毫米波收發(fā)組件設(shè)計(jì)過程中，由于傳輸線的不連續(xù)性、工藝的不穩(wěn)定性及通道間干擾等造成的相位、增益控制不準(zhǔn)確的問題，同時(shí)通過高集成度設(shè)計(jì)，減小芯片尺寸，避免了多級(jí)鍵合絲對(duì)射頻鏈路的影響。芯片總尺寸為5.50 mm×3.80 mm×0.07 mm，在29～32 GHz頻率雙路的移相精度為RMS≤3°，雙路衰減精度為RMS≤0.7 dB，插入損耗為≤17.2 dB，可以很好地應(yīng)用在多路毫米波通信系統(tǒng)中。

1 電路設(shè)計(jì)

芯片集成了以下電路功能：6位數(shù)控移相、6位數(shù)控衰減、開關(guān)和13位串轉(zhuǎn)并驅(qū)動(dòng)等。工作頻率覆蓋29～32 GHz，插入損耗17 dB，切換速度100 ns，典型工作電壓VEE=-5 V，兼容TTL和LVTTL兩種控制電平。電路設(shè)計(jì)原理框圖如圖1。

圖1 電路設(shè)計(jì)原理

本次設(shè)計(jì)是采用GaAs E/D PHEMT 工藝制作，PHEMT在設(shè)計(jì)中起開關(guān)作用。通過改變PHEMT柵極電壓，控制PHEMT的通斷，從而選通不同的射頻路徑，以實(shí)現(xiàn)幅相控制的功能。PHEMT開關(guān)中，當(dāng)柵源壓差為0 V時(shí)，開關(guān)導(dǎo)通，PHEMT等效為阻抗小很的通路；當(dāng)柵源壓差為-5 V時(shí)，PHEMT夾斷，開關(guān)關(guān)斷，此時(shí)等效為大電阻和小電容并聯(lián)。PHEMT的寄生參數(shù)表征為柵寬和柵指數(shù)的函數(shù)，方便建模和優(yōu)化，其對(duì)器件的高頻性能影響顯著。

1.1 數(shù)控移相器設(shè)計(jì)

數(shù)控移相器的實(shí)現(xiàn)形式主要有開關(guān)線型、加載線型、高低通濾波器型等， 其中開關(guān)線型、加載線型移相器都是基于傳輸線理論，適合于小度數(shù)和低頻移相電路，高低通濾波器型結(jié)構(gòu)采用集總元器件搭建，綜合考慮了插入損耗、移相精度、駐波等性能，成本低、易集成，因此被廣泛采用。

射頻信號(hào)在輸入端口被開關(guān)選擇，當(dāng)RF通過高通濾波器時(shí)相位超前；通過低通濾波器時(shí)相位滯后。各元件的初值可由如下歸一化ABCD矩陣給出：

為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和計(jì)算，我們只考慮高低通濾波器為對(duì)稱結(jié)構(gòu)時(shí)的情況，則有：

從式中可以看出，該結(jié)構(gòu)相移量只與BN和XN有關(guān)，而與頻率無直接關(guān)系，故可實(shí)現(xiàn)寬頻帶范圍內(nèi)穩(wěn)定的相移特性。

依托精準(zhǔn)地GaAs PHEMT參數(shù)模型，通過ADS軟件優(yōu)化仿真，并充分考慮制作工藝、使用環(huán)境等的影響，最終確定了完整的設(shè)計(jì)版圖。

通過合理選擇電路結(jié)構(gòu)，優(yōu)化參數(shù)和布局，在29～32 GHz內(nèi)實(shí)現(xiàn)了良好的性能。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 功分器設(shè)計(jì)

圖2 移相器等效電路原理

單枝節(jié)的Wilkinson功分電路如圖3所示，可實(shí)現(xiàn)同相、不同比例的功率分配。圖中，支路傳輸線的特性阻抗Z1、Z2由所需功分比決定，Z3、Z4為1/4波長(zhǎng)阻抗變換線，使輸出端與Z0匹配，降低反射系數(shù)。位于兩功分支路之間的電阻R為隔離電阻，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，取兩支路的電長(zhǎng)度為270°，以增大兩分支間距，減小耦合。文中為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，令Z1=Z2，Z3=Z4=Z0。Z1、Z2初值由下式給出：

圖3 Wilkinson功分電路等效原理

1.3 多功能芯片版圖布局與設(shè)計(jì)

在Ka波段雙路移相衰減多功能芯片的版圖布局中，將對(duì)外界阻抗變化較敏感的衰減位和移相位盡量排列在功能模塊的中間，以保證其精度。將各分塊的S參數(shù)導(dǎo)入ADS并建模，搭建雙路移相器和衰減器聯(lián)合仿真電路。在不影響電路性能的前提下，綜合考慮版圖布局和工藝要求，對(duì)某些移相位和衰減位進(jìn)行了合理交換，以減小芯片面積。同時(shí)，針對(duì)各功能單元間電磁干擾情況進(jìn)行了電磁仿真優(yōu)化。在數(shù)字驅(qū)動(dòng)器和射頻間加入柵欄地孔，形成電磁隔離帶，減小串?dāng)_。

2 多功能MMIC的研制結(jié)果與分析

GaAs E/D PHEMT工藝可以將微波電路和數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)在GaAs襯底上制作完成，滿足本次設(shè)計(jì)需要。最終設(shè)計(jì)完成的Ka波段雙路移相衰減多功能芯片版圖如圖4所示。

圖4 多功能芯片

單片測(cè)試采用微波探針在片測(cè)試系統(tǒng)完成，該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化電源控制與數(shù)據(jù)采集，測(cè)試效率高，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確。

在29～32 GHz范圍內(nèi)，芯片輸入輸出VSWR均在1.5以下，端口匹配良好。全頻帶插入損耗≤17.2 dB，且平坦度＜1 dB。64態(tài)下的移相均方根誤差(RMSps)＜等于3°，64態(tài)衰減均方根誤差(RMSATT)≤0.7 dB，性能良好，與設(shè)計(jì)目標(biāo)相吻合。

3 結(jié)束語

文中研制了一款高集成的Ka波段雙路移相衰減多功能芯片，采用GaAs E/D PHEMT 工藝制作，將兩路數(shù)控移相器、兩路數(shù)控衰減器、數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路及功分器在一塊GaAs單片上設(shè)計(jì)完成，該芯片整體僅尺寸為5.50 mm×3.80 mm×0.07 mm，在29～32 GHz范圍內(nèi)輸入輸出駐波比VSWR≤1.5，插入損耗Loss≤17.2 dB，64態(tài)移相精度RMS≤3°，64態(tài)衰減精度RMS≤0.7 dB，性能良好，為小型化Ka波段通信系統(tǒng)的研制提供了很好的選擇方案。