10～18 GHz 高精度單片數控移相器設計

周宏健，蔣樂，李光超，周睿濤

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214000）

自上世紀六十年代誕生以來，單片微波集成電路（MMIC）的研究浪潮就未曾停歇。從相控陣雷達、衛星通信到汽車雷達、移動通信，MMIC 技術憑借體積小、質量輕、寄生參數小、可控性好等優點活躍在各個領域。數控移相器作為微波相控陣雷達系統中收發（T/R）組件的核心元件之一，在相控陣雷達系統中，使用量可達幾百只甚至上千只，它的體積、性能、可靠性、成本以及研制設計制造能力將直接關系著系統設計的成敗，因此關于數控移相器的研究具有重要意義[1-2]。隨著GaAs MMIC 技術的快速發展，使得更寬帶寬、更小尺寸、更高精度的微波單片數控移相器得以實現。

在寬帶數控移相器設計中，常用的電路結構有反射型移相器和高低通濾波器型移相器[3]。反射型移相器雖然精度較高但芯片面積較大，不利于降低單片數控移相器的成本。高低通濾波器型移相器結構緊湊、設計簡單，但寬帶的移相精度相對較低。為了實現更寬帶寬內的高精度移相性能，可以采用全通濾波器型移相器結構。全通網絡可以在高頻實現約4～5 個倍頻程帶寬內某一角度的相移，同時電路面積要小于反射型移相結構。

基于0.25 μm GaAs PHEMT 工藝設計了一款高精度寬帶單片六位數控移相器芯片，設計過程中綜合采用橋T 型移相結構、高低通濾波器和全通濾波器移相結構，通過對全通濾波器型移相器結構的改進，進一步縮小了移相器面積，同時還保持了很高的移相精度。最終流片測試結果表明，設計的數控移相器在10～18 GHz 頻段內綜合性能優良，芯片面積和移相精度均優于業內同類芯片。

1 單片數控移相器的原理

移相器是用來改變射頻信號相位的器件，輸入信號經過移相器，輸出信號會產生一定的相位偏移量。移相器輸出信號的相位偏移量可以是連續變化或者離散變化的，如果相位偏移量是連續的，則稱這種移相器為模擬移相器；反之如果相位偏移量是按照預設的離散值變化，則稱之為數控移相器。與模擬移相器相比，在保證良好的移相精度和端口回波損耗的前提下，數控移相器可以達到更寬的移相帶寬。更重要的是，數控移相器在工作時不易受到控制信號中的噪聲影響。

數控移相器通常由若干移相單元級聯形成，每個移相單元包含參考態和移相態電路，輸入信號經過移相單元的移相態或參考態電路，輸出信號之間的相位差就是這個移相單元的移相量。文中所設計的六位數控移相器，主態移相單元的相位偏移量為5.625°、11.25°、22.5°、45°、90°和180°。使用該移相器時，通過改變外加的直流偏置電壓可以控制六個主態移相單元是否產生相位偏移量，進而就可以實現0～354.375°范圍內共64 種移相態，步進為5.625°。

2 單片數控移相器的設計

2.1 5.625°、11.25°、22.5°移相單元設計

圖1 移相單元電路拓撲

寄生調幅ΔL的計算公式為：

式中，ILps是電路處于移相態（PHEMT1 和PHEMT2 關斷，PHEMT3 導通）的插入損耗，ILref是電路處于參考態（PHEMT1 和PHEMT2 導通，PHEMT3關斷）的插入損耗。

2.2 45°移相單元設計

對于相位偏移量45°的移相單元，橋T 型移相網絡很難獲得較好的移相精度，因此采用開關選擇全通濾波器型移相網絡，如圖2 所示。

圖2 開關選擇全通濾波器型移相網絡

全通濾波器的插入相位為180°時的工作頻率稱為轉換頻率，合理選擇全通濾波器的LC元件值可以得到不同的轉換頻率，利用兩個不同轉換頻率的全通濾波器可以產生所需的相位差，這就是開關選擇全通濾波器型移相網絡的工作原理。圖2 中的一對全通濾波器的元件初值由式（2）-（5）確定：

式中，ωm為移相器工作頻段的中心頻率，變量p取值1.104[8]。

選定合適的開關管尺寸后，使用仿真軟件對電路進行優化。為了保證足夠的移相精度，一級全通濾波器移相網絡的移相帶寬是有限的，需要級聯兩個全通濾波器來拓展移相帶寬，但是電路面積也會變大。因此在優化過程中對兩級全通濾波網絡進行了改進，如圖3 所示。對于參考態電路，在全通濾波器兩端增加了補償電容Ca3，可以改善低頻附近的移相精度。對于移相態電路，省去串聯電容簡化成低通濾波器結構，使電路尺寸得到壓縮；同時在低通濾波器兩端增加對稱的并聯電容，展寬低通濾波網絡的移相帶寬。最終優化得到的45°移相單元電路與級聯全通濾波器型移相電路相比，不僅保證了較高的移相精度，而且結構更簡單，面積更小。

圖3 45°移相單元電路拓撲

2.3 90°、180°移相單元設計

90°和180°移相單元需要達到較大的相位偏移量，因此在45°移相單元電路的基礎上進一步增加了階數，仿真顯示約需級聯三個全通濾波器才能達到較高的移相精度。通過反復優化，選定了如圖4 所示的電路結構。對于參考態電路，采用兩級全通濾波器級聯，中間添加T 型高通濾波器。對于移相態電路，采用七階低通濾波器，以實現足夠的帶寬和良好的移相平坦度。這種移相結構與三級全通濾波器級聯結構相比，減少六個電感電容元件，且結構簡化更便于布版，電路面積可以得到有效縮減。

圖4 90°、180°移相單元電路拓撲

2.4 移相單元級聯設計

六位主態移相單元設計完成后，需要按照合理的順序進行級聯，為了使級聯之后的布局緊湊、性能良好，選擇將端口駐波較好的大位移相單元180°和90°分別置于輸入和輸出端，將電路結構簡單、元件數少的三個小位移相單元5.625°、11.25°和22.5°互聯便于壓縮整體電路尺寸，互聯時兼顧相鄰端口的阻抗匹配。經過多次調整優化，最終確定六位主態移相單元的級聯順序如圖5 所示。

圖5 六位數控移相器級聯原理圖

文中設計的10～18 GHz 六位數控移相器集成了并行驅動器電路，驅動器采用直接耦合場效應晶體管邏輯電路（DCFL）搭建而成，其優點是電路簡單且速度快[10]。更關鍵的是，選擇與數控移相器相同的GaAs 工藝進行并行驅動器的設計，可以實現數字電路與微波電路集成在一顆單片移相器芯片上，不僅便于外部電路的使用，而且有利于提高整個系統的集成度。如圖5 所示，直流偏置電壓經過DCFL 式驅動器輸出一對控制電平，選通移相單元的參考態或移相態電路，因此只需要切換六位直流偏置電壓V1-V6即可控制數控移相器產生64 種不同的相位偏移量，而原本的六位數控移相器需要12 個控制端才能工作。由此可見，集成并行驅動器的數控移相器更加實用高效。

3 單片數控移相器的實現

10～18 GHz 單片數控移相器采用0.25 μm GaAs PHEMT 工藝流片制造，最終得到的移相器芯片的實物面積為2.7 mm×1.4 mm。

使用微波探針臺、矢量網絡分析儀和直流電源對單片數控移相器進行在片測試，主要電性能的測試曲線如圖6 所示。

圖6 數控移相器芯片測試結果

4 性能分析

文中所設計的10～18 GHz 數控移相器與國內外同頻段移相器的性能對比如表1 所示。

表1 單片數控移相器對比表

對比可見，該文設計的數控移相器犧牲約2 dB插入損耗，在10～18 GHz 的寬頻帶內獲得了很高的移相精度，而且芯片面積較小，同時還在芯片內部集成了并行驅動器，便于使用。

5 結論

文中介紹了一款采用0.25 μm GaAs PHEMT 工藝制造的高精度六位數控移相器芯片[17-19]，芯片面積為2.7 mm× 1.4 mm。該移相器電路改進了全通濾波移相結構，采用全通-高通-低通混合移相結構，在保持高移相精度的同時縮小了芯片面積。測試結果表明，移相器在10～18 GHz 工作頻段內，移相精度達到2°，插入損耗12 dB，寄生調幅小于±0.5 dB，輸入輸出端口駐波小于1.5，綜合性能優越，可應用于寬帶相控陣系統中。