高精度、低附加相移數控衰減器設計

張 磊

（海軍裝備部駐南京地區第三代表室，江蘇 南京 210001）

0 引 言

衰減器作為移動通信、相控陣雷達等系統的關鍵模塊，其性能的好壞將直接影響系統的工作性能。隨著工藝節點的不斷減小和人們對芯片集成度要求的不斷提高，小尺寸、高性能的多位數控衰減器成為當今學術研究與工程應用的研究熱點。數控衰減器由多位衰減量不同的單元級聯組成，并通過外部信號控制衰減器的實際衰減量，以實現高精度、低附加相移等高性能指標。該結構具有設計簡單、可移植性強等優點。

1 電路設計

設計的6位數控衰減器由0.5 dB、1 dB、2 dB、4 dB、8 dB、16 dB衰減位級聯組成，以0.5 dB為衰減步進，實現最大31.5 dB的衰減量。0.5 dB和1 dB衰減單元采用插損小、結構簡單的簡化T型結構，2 dB采用回波損耗較好的橋T型結構，4 dB、8 dB則采用適合大位衰減的Π型結構[1]。由于衰減量大，開關內嵌式的拓撲結構無法較好地實現更大的衰減量，因此16 dB采用開關路徑式拓撲結構[2]。電路原理如圖1所示。

圖1 衰減單元拓撲結構

1.1 電容補償和電感補償

以Π型開關內嵌式拓撲結構為例，分析其在參考態和衰減態的工作原理。2種工作狀態的等效電路分別如圖2所示。

圖2 Π型開關內嵌式拓撲結構等效電路

如圖2（a）所示，當衰減器工作在參考態時，串聯金屬-氧化物-半導體（Metal Oxide Semiconductor，MOS）場效應晶體管導通，并聯MOS管斷開。在理想開關狀態下，信號從輸入端通過MOS管導通電阻Ron1徑直到達輸出端，沒有到地衰減路徑，此時信號插損僅由導通電阻Ron1和電阻R1引入。但是，由于截止電容Coff2的存在，部分高頻信號將通過電阻R2和Coff2泄漏到地，參考態插損增大，同時衰減器的相對衰減量減小。隨著信號頻率的升高，截止電容引入的衰減誤差更大。如圖2（b）所示，當衰減器工作在衰減態時，串聯MOS管斷開，并聯MOS管導通。此時，信號路徑中出現到地衰減路徑，部分信號通過導通電阻Ron2和電阻R2泄漏到地，使得信號產生衰減。由圖2（b）可知，截止電容Coff1使衰減態電路成為高通特性電路，與參考態相比相位超前。

為了解決截止電容引入的衰減誤差和附加相移，本文采用改進的Π型衰減器結構。電路引入電容補償和電感補償，原理圖及其參考態/衰減態等效電路圖如圖3所示[3-4]。

圖3 改進的的Π型衰減器

電路通過分別在并聯支路上引入高通特性電路和在串聯支路上引入低通特性電路，抵消截止電容Coff1引入的附加相移。電感面積較大且會與截止電容形成帶通網絡，限制電路帶寬。因此，設計中盡量避免采用電感補償附加相移。8 dB衰減單元中衰減量過大，僅依靠電容補償無法滿足附加相移要求，因此電路引入電感補償。隨著補償電容的引入，在高頻部分信號衰減量的變化量會逐步增大，一定程度上會影響頻帶平坦度，因此設計時需要選擇合適的Ls和Cp。

1.2 體懸浮技術

晶體管的開關性能將直接影響衰減器的工作性能，因此引入體懸浮技術[5]，即在MOS開關管的柵極和襯底串聯一個十幾乃至幾十千歐姆的大電阻，如圖4（a）所示。圖4（b）和圖4（c）分別展示了MOS開關管在參考態和截止態的等效電路圖。可以看出，在高頻段，信號通路到柵極和襯底之間存在泄漏通路，將直接影響衰減器的插入損耗，且影響開關的隔離度。同時，MOS開關的非線性主要來源于導通電阻隨電壓差Ugs和Ubs的變化。通過在柵極和襯底串聯大電阻，使得柵極電壓和襯底電壓處于懸浮態。當大信號電壓通過時，Ugs和Ubs保持恒定不變，從而提高MOS開關管的線性度。

圖4 MOS開關管和等效電路

2 仿真結果及芯片面積

設計采用0.13 μm雙極的互補金屬氧化物半導體（Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor，BiCMOS）工藝，核心電路尺寸為550 μm×175 μm，芯片電壓1.5 V，工作頻率27～32 GHz。圖5展示了電路在頻帶內的仿真結果，其中分別為衰減誤差均方根曲線和附加相移曲線與輸入輸出的回波損耗。由仿真曲線圖可以看出，衰減誤差均方根最大為0.216 dB，最大附加相移為-3°～2°，輸入和輸出的回波損耗均小于-20 dB。

圖5 衰減器的仿真結果

3 結 論

本文在0.13 μm BiCMOS工藝下設計了一款用于相控陣雷達系統的高性能6位數控衰減器，以0.5 dB作為衰減步進，可以實現31.5 dB的最大衰減范圍，衰減誤差均方根小于0.216 dB，附加相移小于6°，插入損耗小于8.2 dB，回波損耗小于-20 dB。