K波段幅相控制多功能MMIC的设计与实现

张超+陈月盈

摘 要：基于GaAs 衬底增强/耗尽型赝（E/D） 工艺设计了K波段幅相控制多功能MMIC。该芯片对接收增益波动大采取了2bit微调数控衰减器的改善措施，同时内部集成放大器，数控衰减器，数控移相器等常用功能。测试结果表明：接收支路增益≥3dB，输出1dB压缩点≥1dBm； 发射支路增益≥5dB，输出1dB压缩点≥4dBm；移相RMS≤5°，衰减RMS≤0.6dB。

关键词：增强/耗尽型pHEMT；幅相控制多功能；数控移相器；单刀双掷开关；数控衰减器

中图分类号：TN43 文献标识码：A

0.引言

近几年多功能MMIC得到了较为广泛的应用，其优点在于集成度高，可使接收或发射组件的可靠性和生产效率显著提高。然而整机对功率、频率及性能的不断追求，对于多功能MMIC也面临不小的挑战。

本文基于GaAs E/D工艺设计并实现了K波段幅相控制多功能MMIC。该芯片对接收增益波动大采取了2bit微调数控衰减器的改善措施，实现了接收支路增益≥3dB，輸出1dB压缩点≥1dBm； 发射支路增益≥5dB，输出1dB压缩点≥4dBm；移相RMS≤5°，衰减RMS≤0.6dB。

1.多功能MMIC的设计

多功能MMIC的设计包含：整体拓扑设计、开关设计、数控移相器设计、数控衰减器设计和放大器设计5个主要部分，然后通过仿真，版图布局最终完成多功能MMIC的设计。

1.1 多功能MMIC的拓扑

该芯片采用拓扑结构如图1所示，集成了3个放大器、6位数控移相器、6位数控衰减器、2位接收微调数控衰减器、4个单刀双掷开关组合、16位并口驱动器。该电路特点：集成度高，隔离度高，功耗低。

1.2 开关的设计

开关在多功能MMIC中起到信号选择导通的作用，用来控制信号的接收或发射链路，开关的插入损耗、速度及隔离度等指标的好坏直接影响多功能MMIC的指标。

开关的等效电路模型如图2所示。其原理如下：通过调整Vgs的电压来控制Rds、Cds的大小达到开关的开态或者关态。

目前流行的开关拓扑为串并联结构如图3所示，其特点：结构简单、小型化、指标优秀。该芯片采用了串并联结构。

通过调整V1、V2的电压实现对收发通道的选择。

1.3 数控移相器的设计

移相器在多功能MMIC中起到调相作用，用来控制雷达的方向角，移相器的调相精度直接影响多功能MMIC的指标。

其原理如下：通过控制开关，改变移相位为参考态或移相态，达到调相的目的。

目前比较常用的拓扑结构有加载线式、开关线式和高低通滤波器式。最为广泛的是高低通滤波器式移相器，其特点集成度高，小型化，可做宽带应用。本文的数控移相器为六位，最小步进5.625°，并由6个基本态组成（5.625°、11.25°、22.5°、45°、90°、180°），基本态移相电路结构有如下几种：

5.625°移相位采用图4的并联型结构，其结构简单，损耗小。11.25°和22.5°采用图5的单T型结构。 45°、90°和180°采用图6的高低通型结构，其结构特点可大幅度减小芯片面积。同时该结构适用于大移相位，相移和插损在带宽内波动幅度较小。

1.4 数控衰减器的设计

数字衰减器常用的拓扑结构有简T型和π型，如图7、图8所示。单态衰减设计应尽量选择损耗小、精度高、小型化的结构。本设计中0.5dB和1dB采用简T电路结构，2dB、4dB、8dB采用π型电路结构，16dB采用两个8dB结构串联实现。数字衰减器的拓扑如图9所示。

1.5 放大器设计

放大器在多功能MMIC中用于电路插入损耗的补偿，同时具备一定的输出功率，用来驱动发射通道后面的功率放大器。

在多功能MMIC中采用了宽带反馈式单片放大器，电路拓扑结构如图10所示。电路采用自偏压结构，电源电压+5V。基于GaAs大信号模型进行了电路匹配。在设计中重点关注了功率管源极的对地电容，其寄生效应会引起源极负反馈，通过电磁场仿真消除了此影响，并成功地应用在多功能MMIC中。

2.多功能MMIC的版图设计

幅相控制多功能MMIC，采用软件完成电路的仿真和整体版图。设计数字移相器和数字衰减器的版图中，重点考虑输入输出匹配，减小插损；对于驻波敏感的衰减态及移相态尽量周围用地孔屏蔽，并放置于芯片中部位置。

先生成单功能版图，包括开关、衰减器、移相器和放大器，然后在拼版到一起组成多功能版图，利用电磁场仿真优化功能，改进多功能版图布局，重点考虑减小各功能电路间的耦合、串扰、兼容等影响，同时改良布局达到缩小芯片尺寸的目的。

最后生成偏置版图，主要为馈电、串并转换等电路，馈电电路主要做好滤波功能，尽可能进行滤波组合，控制电压重点做好过压过流保护电路和防静电保护电路，提高数字电路的可靠性。

3.工艺实现与测试

本文基于GaAs E/D工艺实现了幅相控制多功能MMIC。该工艺可实现微波电路和数字驱动电路一体化设计。流片完成的多功能MMIC照片如图11所示，芯片最终尺寸为3.5mm×4.8mm。该芯片有收发公共端口（芯片左侧）、发射输出端口（芯片上侧）、接收输入端口（芯片下侧），馈电及数控端口（芯片右侧）。

通过矢量网络分析仪和微波探针系统对多功能MMIC进行了圆片测试，主要电性能测试结果如图12～图15所示。加电+5V下静态电流48mA，加电-5V下静态电流13mA。

图12为多功能MMIC在接收/发射状态下的信号增益，在整个工作频带内发射增益大于5 dB，接收增益大于3 dB；接收/发射增益呈现正斜率2 dB。

图13为多功能MMIC在接收/发射状态下的信号输出P-1dB，在整个工作频带内发射输出P-1dB大于4 dBm，接收输出P-1dB大于1 dBm。

图14和图15为多功能MMIC在接收/发射状态下的移相64态RMS和衰减64态RMS，在整个工作频带内移相64态RMS最大5°，衰减64态RMS最大0.6dB。

结论

本文基于GaAs E/D工艺设计并实现了K波段幅相控制多功能MMIC。该芯片内部集成单刀双掷开关、6位数控移相器、6位数控衰减器、2位接收微调数控衰减器、放大器和16位幅相控制并口驱动。该芯片收发状态下移相64态RMS≤5°，衰减64态RMS≤0.6dB，尺寸为3.5mm×4.8mm。该芯片可用于微波收发组件，实现对接收和发射信号的幅相控制。

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