一種超小型Ka波段雙路移相衰減多功能芯片

(中國電子科技集團公司第十三研究所，石家莊 050051)

0 引言

隨著通信系統的飛速發展，相控陣技術在通信系統中得到廣發應用，收發組件是相控陣系統的核心部件，毫米波通信雷達由于其工作頻率高、工作頻帶寬、體積小、重量輕等優點，更加受到關注和研究[1-2]，尤其在機載探測雷達、車載導航系統、導彈追蹤系統以及衛星通信、信息對抗等領域，具有廣闊的前景。

毫米波頻段由于其頻率高、波長短，易受電路單元寄生參數的影響等特點，給毫米波射頻單元的設計帶來了困難，陣列合成設計中為實現波束柵瓣的抑制和大掃描角，天線單元間距很小，相應地也限制了其收發組件的通道間距尺寸，使得毫米波組件對內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計方案，該芯片集成雙路6位移相器和雙路6位衰減器，以及開關、一分二功分器和串行驅動器等功能器件，旨在解決多通道毫米波收發組件設計過程中，由于傳輸線的不連續性、工藝的不穩定性及通道間干擾等造成的相位、增益控制不準確的問題，同時通過高集成度設計，減小芯片尺寸，避免了多級鍵合絲對射頻鏈路的影響。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，可以很好地應用在多路毫米波通信系統中。

1 電路設計

芯片集成了以下電路功能：6位數控移相、6位數控衰減、開關和13位串轉并驅動等。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。電路設計原理框圖如圖1。

圖1 電路設計原理

本次設計是采用GaAs E/D PHEMT 工藝制作，PHEMT在設計中起開關作用。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，以實現幅相控制的功能。PHEMT開關中，當柵源壓差為0 V時，開關導通，PHEMT等效為阻抗小很的通路；當柵源壓差為-5 V時，PHEMT夾斷，開關關斷，此時等效為大電阻和小電容并聯。PHEMT的寄生參數表征為柵寬和柵指數的函數，方便建模和優化，其對器件的高頻性能影響顯著。

1.1 數控移相器設計

數控移相器的實現形式主要有開關線型、加載線型、高低通濾波器型等， 其中開關線型、加載線型移相器都是基于傳輸線理論，適合于小度數和低頻移相電路，高低通濾波器型結構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。

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

為簡化設計和計算，我們只考慮高低通濾波器為對稱結構時的情況，則有：

從式中可以看出，該結構相移量只與BN和XN有關，而與頻率無直接關系，故可實現寬頻帶范圍內穩定的相移特性。

依托精準地GaAs PHEMT參數模型，通過ADS軟件優化仿真，并充分考慮制作工藝、使用環境等的影響，最終確定了完整的設計版圖。

通過合理選擇電路結構，優化參數和布局，在29～32 GHz內實現了良好的性能。其拓撲結構如圖2所示。

1.2 功分器設計

圖2 移相器等效電路原理

單枝節的Wilkinson功分電路如圖3所示，可實現同相、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波長阻抗變換線，使輸出端與Z0匹配，降低反射系數。位于兩功分支路之間的電阻R為隔離電阻，在實際設計中，取兩支路的電長度為270°，以增大兩分支間距，減小耦合。文中為簡化設計，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計

在Ka波段雙路移相衰減多功能芯片的版圖布局中，將對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參數導入ADS并建模，搭建雙路移相器和衰減器聯合仿真電路。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，對某些移相位和衰減位進行了合理交換，以減小芯片面積。同時，針對各功能單元間電磁干擾情況進行了電磁仿真優化。在數字驅動器和射頻間加入柵欄地孔，形成電磁隔離帶，減小串擾。

2 多功能MMIC的研制結果與分析

GaAs E/D PHEMT工藝可以將微波電路和數字驅動電路同時在GaAs襯底上制作完成，滿足本次設計需要。最終設計完成的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

單片測試采用微波探針在片測試系統完成，該平臺可實現自動化電源控制與數據采集，測試效率高，測試結果準確。

在29～32 GHz范圍內，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態下的移相均方根誤差(RMSps)＜等于3°，64態衰減均方根誤差(RMSATT)≤0.7 dB，性能良好，與設計目標相吻合。

3 結束語

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，將兩路數控移相器、兩路數控衰減器、數字驅動電路及功分器在一塊GaAs單片上設計完成，該芯片整體僅尺寸為5.50 mm×3.80 mm×0.07 mm，在29～32 GHz范圍內輸入輸出駐波比VSWR≤1.5，插入損耗Loss≤17.2 dB，64態移相精度RMS≤3°，64態衰減精度RMS≤0.7 dB，性能良好，為小型化Ka波段通信系統的研制提供了很好的選擇方案。