應(yīng)用于相控陣收發(fā)組件的射頻微波集成電路設(shè)計探討

摘要：微波單片集成電路非常重要，目前已經(jīng)在各類高技術(shù)裝備中得到了廣泛的應(yīng)用。文章首先對相控陣收發(fā)組件射頻微波集成電路的設(shè)計優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了介紹，然后基于GaN工藝基礎(chǔ)進(jìn)行射頻微波集成電路的設(shè)計，取得了良好的設(shè)計效果，實現(xiàn)了數(shù)字電平直接對微波控制器件的控制。

關(guān)鍵詞：相控陣收發(fā)組件；射頻微波；集成電路設(shè)計；GaN工藝；高技術(shù)裝備 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP391 文章編號：1009-2374（2016）35-0009-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.35.005

當(dāng)前，微波單片集成電路已經(jīng)在各類高技術(shù)裝備中得到了廣泛的應(yīng)用，例如電子戰(zhàn)系統(tǒng)、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、通信系統(tǒng)等。電路系統(tǒng)作為相控陣?yán)走_(dá)的基礎(chǔ)，電路組件的各個指標(biāo)均會對雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展造成影響，性能指標(biāo)也影響著雷達(dá)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，體積和重量對雷達(dá)的成本、穩(wěn)定性和小型化以及應(yīng)用前景也有比較大的影響。而基于微波集成電路的設(shè)計可以有效降低雷達(dá)的重量、縮小雷達(dá)的體積、提高雷達(dá)的穩(wěn)定性。

1 相控陣收發(fā)組件中應(yīng)用射頻微波集成電路的意義

1.1 射頻損耗比較低，接收或者是發(fā)射的效率比較高

原來就有收發(fā)組件的可以直接連接天線，也可以直接做到天線上，從而使接收或者是發(fā)射信號的頻率損耗得到有效控制。一般情況下，射頻損耗要比無源相控小6～10dB，也就是靈敏度被提升了6～10dB，因此，在同樣的發(fā)射功率下，雷達(dá)的最大探測距離會被提升70%左右。

1.2 提升了雷達(dá)分辨率

一般情況下，有源相控陣的信號帶寬能夠達(dá)到載波信號的1/5，而無源相控陣信號帶寬的最大值僅為1/10左右，這就可以發(fā)現(xiàn)，有源相控陣?yán)走_(dá)比無源相控陣?yán)走_(dá)的頻率高出很多。信號帶寬增加以后，會給敵方跟蹤造成嚴(yán)重的干擾，從而使雷達(dá)的抗干擾能力得到不斷的提升。

1.3 實現(xiàn)了小型化和輕質(zhì)化

單片微波集成電路被采用后，使雷達(dá)的體積得到了有效的縮減，使雷達(dá)的重量得到降低，從而使雷達(dá)成本得到了有效控制。

1.4 提高了可靠性

許多T/R組件分布在有源陣?yán)铮琓/R組件出現(xiàn)問題的數(shù)目在10%左右的時候，雷達(dá)距離變化不明顯；問題數(shù)目在5%之內(nèi)的時候，副瓣電平變差不明顯，所以有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)要比無源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的可靠性高出一個數(shù)量級。

1.5 多功能性

多個接收波束的自適應(yīng)控制以及數(shù)字波束的構(gòu)成都可以得到較好的實現(xiàn)，還可以將多功能進(jìn)行較好的實現(xiàn)。

2 氮化鎵工藝在射頻微波集成電路設(shè)計中的應(yīng)用

2.1 設(shè)計優(yōu)點(diǎn)

在國民經(jīng)濟(jì)中，射頻微波單片集成電路發(fā)揮的作用至關(guān)重要，尤其是在軍事領(lǐng)域和通信領(lǐng)域中所發(fā)揮的作用特別重要。在民用通信行業(yè)中，硅基CMOS的RFIC占據(jù)著核心位置，尤其是在無線局域網(wǎng)中應(yīng)用最為普遍，如今在軍事領(lǐng)域中占據(jù)主導(dǎo)位置的則是化合物半導(dǎo)體。化合物半導(dǎo)體器件中磷化銦（In P）和砷化鎵（Ga As）的特征頻率基本可以實現(xiàn)280GHz，然而兩種材質(zhì)的輸出功率比較有限，磷化銦（In P）的最佳值為1.5W/mm@30GHz，砷化鎵（Ga As）的最佳輸出功率值可以達(dá)到1.4W/mm@8GHz，這些材料的最佳輸出值已經(jīng)與極限值比較接近了。在高頻無線通信領(lǐng)域里，尤其是雷達(dá)系統(tǒng)中，過去的窄禁帶半導(dǎo)體已經(jīng)接近被淘汰的邊緣。

此外，在使用SiC材質(zhì)的時候，其加工難度要比其他半導(dǎo)體材質(zhì)高出很多，過去的離子束注入和刻蝕已經(jīng)無法滿足需要了，所以在使用微波功率的時候，Ga N材質(zhì)越來越受到人們的歡迎。Ga N材質(zhì)不但在微波功率領(lǐng)域中得到廣泛的使用，還在微波低噪聲領(lǐng)域得到了不斷的使用，以往的收發(fā)系統(tǒng)里，在接收機(jī)的前端會安裝限幅器，以此來確保接收機(jī)的安全可靠，同時給低噪音放大器提供保護(hù)，使其不會受到超大射頻信號的干擾。Ga N基收發(fā)系統(tǒng)擊穿電壓值比較大、工作電壓比較高，能夠接收較大的功率容量，所以能夠在Ga N基收發(fā)系統(tǒng)中取消限幅器，從而使系統(tǒng)更加的簡便，使其性能得到不斷提升。

2.2 電路設(shè)計

數(shù)字電路控制信號主要包括SPI轉(zhuǎn)換和TTL電平兩種輸出形式，一般情況下，TTL電平控制著高速控制裝置。對于將耗盡型晶體管當(dāng)作開關(guān)的有些化合物半導(dǎo)體器件來說，主要使用Ga N和Ga As來進(jìn)行實現(xiàn)，需要使用關(guān)斷電壓、晶體管導(dǎo)通以及TTL控制信號進(jìn)行良性轉(zhuǎn)換。要想使TTL電壓轉(zhuǎn)換成可控制耗盡型就需要轉(zhuǎn)換TTL電平電路，主要的輸出電壓為Ga N基HEMT射頻開關(guān)的啟動和關(guān)閉兩種互補(bǔ)型電路。經(jīng)常使用的兩組TTL電壓值分別為3.3V和5V，日常使用到的TTL電平基本都是3.3V的，耗盡型Ga N晶體管的夾斷閾值基本都是-2.5V，晶體管要想實現(xiàn)全部導(dǎo)通，其電壓值一定要在-1V以上，實現(xiàn)全部開斷的最佳電壓值要在-3V以內(nèi)，所以輸出電壓值的最佳范圍為-4～0V之間。

在數(shù)字電路使用的過程中，耗盡型器件已經(jīng)基本滿足需要，要想使電路功能得以實現(xiàn)，需要使用增強(qiáng)型（E模）來完成，比如n型增強(qiáng)型器件等，關(guān)鍵性的結(jié)構(gòu)有F等離子體處理增強(qiáng)型器件、pn結(jié)構(gòu)、刻蝕槽柵結(jié)構(gòu)以及薄勢壘結(jié)構(gòu)等。薄勢壘結(jié)構(gòu)器件的閾值電壓都不高，受勢壘層比較薄的影響，使得溝道載流子濃度都不高，進(jìn)而使器件的飽和電流值都非常小；受刻蝕槽柵結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)度的影響，使得刻蝕深度技術(shù)很難實現(xiàn)，該技術(shù)的重復(fù)性不是很好，柵漏電比較突出，刻蝕損傷比較嚴(yán)重；pn結(jié)構(gòu)器件擊穿電壓比較強(qiáng)，柵金屬和溝道比較遠(yuǎn)，因此器件飽和電流和跨導(dǎo)不大，使得F離子體注入式增強(qiáng)型器件結(jié)構(gòu)得到了普遍使用，該技術(shù)是由香港科技大學(xué)陳敬和蔡勇發(fā)明的，該技術(shù)重復(fù)性比較高，技術(shù)比較簡單，對F等離子體的注入條件進(jìn)行改變可以實現(xiàn)對調(diào)控器件閾值電壓的控制。詳見圖1所示：

增強(qiáng)/耗盡型器件技術(shù)的不斷發(fā)展與Ga N基增強(qiáng)型器件的發(fā)展有著直接的關(guān)系，西安電子科技大學(xué)在國防重點(diǎn)實驗室使用寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)對Ga N E/D模技術(shù)進(jìn)行了不斷的研究，從而得到了本文的主要研究內(nèi)容，即TTL電平轉(zhuǎn)換電路。Curtice2模型是主要的電路仿真模型原型，器件主要有肖特基二極管和增強(qiáng)/耗盡型HEMT兩個組成部分，電源電壓值為+5V或者-5V，電平轉(zhuǎn)換電路的種類為反相器結(jié)構(gòu)和差分轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。實驗室Ga N技術(shù)需要不斷改進(jìn)，差分結(jié)構(gòu)性能與E/D模技術(shù)有著直接關(guān)聯(lián)，所以使用反相器邏輯更加合理。電平轉(zhuǎn)換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示：

輸入端VIN的電壓低于0.4V時，即為低電壓，使得T2增強(qiáng)型晶體管的導(dǎo)通閾值電壓得不到滿足，T2晶體管就會自動斷開，促使溝道電阻不斷變大。二極管連接的是T1耗盡型晶體管，使其一直處于絕對導(dǎo)通狀態(tài)，T2晶體管消耗了絕大多數(shù)的壓降，T3的柵極電壓與VDD比較接近，使得T3被完全導(dǎo)通。此時通過四個肖特基二極管將電壓降低，使得VOUT1輸出電壓的電壓值為0V。當(dāng)VOUT1的電壓值是0V的時候，T6晶體管被完全導(dǎo)通，為了使T5晶體管比T6晶體管的溝道電阻大，就需要將T5的輸出電壓設(shè)計成為0V，這時T8晶體管比T7晶體管的溝道電阻小，通過二極管將T7輸出電壓降低，輸出VOUT2的低電壓值與-4V比較接近。輸入端VIN電壓比2.7V大時，即為高電平，此時T2增強(qiáng)型晶體管被完全導(dǎo)通，溝道電阻非常低。T3關(guān)閉的時候，其柵極電壓值與0V比較接近，四個肖特基二極管與T4實現(xiàn)并聯(lián)，從而將電壓值降低，T4的尺寸一定要科學(xué)，確保VOUT1的輸出電壓值達(dá)到-4V，此時T6晶體管完全關(guān)閉，T5輸出的電壓值為高電平值，T8被完全關(guān)閉，T7實現(xiàn)導(dǎo)通，通過二極管將電源電壓VDD進(jìn)行降壓處理，使其達(dá)到0V，這就使得電平轉(zhuǎn)換全部完成，詳見圖3所示。為了使耗盡型微波器件得到有效控制，電路就要將TTL電平轉(zhuǎn)換成一組差分輸出電壓信號，其高、低電平分別為0V和-4V。

3 結(jié)語

綜上所述，該電平轉(zhuǎn)換電路將肖特基二極管和反相器串聯(lián)到一起，然后使用器件的柵層金屬作為互聯(lián)結(jié)構(gòu)，將肖特基二極管連接起來，省去了多層金屬互聯(lián)，工藝流程簡化，布線也得到了進(jìn)一步簡化。

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作者簡介：陳森（1982-），男，遼寧人，中國電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所工程師，碩士，研究方向：射頻微波。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）