一种超小型Ka波段双路移相衰减多功能芯片

(中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄 050051)

0 引言

随着通信系统的飞速发展，相控阵技术在通信系统中得到广发应用，收发组件是相控阵系统的核心部件，毫米波通信雷达由于其工作频率高、工作频带宽、体积小、重量轻等优点，更加受到关注和研究[1-2]，尤其在机载探测雷达、车载导航系统、导弹追踪系统以及卫星通信、信息对抗等领域，具有广阔的前景。

毫米波频段由于其频率高、波长短，易受电路单元寄生参数的影响等特点，给毫米波射频单元的设计带来了困难，阵列合成设计中为实现波束栅瓣的抑制和大扫描角，天线单元间距很小，相应地也限制了其收发组件的通道间距尺寸，使得毫米波组件对内用器件尺寸提出了极高要求[3-5]。

文中提出了一种Ka波段双路移相衰减多功能芯片的设计方案，该芯片集成双路6位移相器和双路6位衰减器，以及开关、一分二功分器和串行驱动器等功能器件，旨在解决多通道毫米波收发组件设计过程中，由于传输线的不连续性、工艺的不稳定性及通道间干扰等造成的相位、增益控制不准确的问题，同时通过高集成度设计，减小芯片尺寸，避免了多级键合丝对射频链路的影响。芯片总尺寸为5.50 mm×3.80 mm×0.07 mm，在29～32 GHz频率双路的移相精度为RMS≤3°，双路衰减精度为RMS≤0.7 dB，插入损耗为≤17.2 dB，可以很好地应用在多路毫米波通信系统中。

1 电路设计

芯片集成了以下电路功能：6位数控移相、6位数控衰减、开关和13位串转并驱动等。工作频率覆盖29～32 GHz，插入损耗17 dB，切换速度100 ns，典型工作电压VEE=-5 V，兼容TTL和LVTTL两种控制电平。电路设计原理框图如图1。

图1 电路设计原理

本次设计是采用GaAs E/D PHEMT 工艺制作，PHEMT在设计中起开关作用。通过改变PHEMT栅极电压，控制PHEMT的通断，从而选通不同的射频路径，以实现幅相控制的功能。PHEMT开关中，当栅源压差为0 V时，开关导通，PHEMT等效为阻抗小很的通路；当栅源压差为-5 V时，PHEMT夹断，开关关断，此时等效为大电阻和小电容并联。PHEMT的寄生参数表征为栅宽和栅指数的函数，方便建模和优化，其对器件的高频性能影响显著。

1.1 数控移相器设计

数控移相器的实现形式主要有开关线型、加载线型、高低通滤波器型等， 其中开关线型、加载线型移相器都是基于传输线理论，适合于小度数和低频移相电路，高低通滤波器型结构采用集总元器件搭建，综合考虑了插入损耗、移相精度、驻波等性能，成本低、易集成，因此被广泛采用。

射频信号在输入端口被开关选择，当RF通过高通滤波器时相位超前；通过低通滤波器时相位滞后。各元件的初值可由如下归一化ABCD矩阵给出：

为简化设计和计算，我们只考虑高低通滤波器为对称结构时的情况，则有：

从式中可以看出，该结构相移量只与BN和XN有关，而与频率无直接关系，故可实现宽频带范围内稳定的相移特性。

依托精准地GaAs PHEMT参数模型，通过ADS软件优化仿真，并充分考虑制作工艺、使用环境等的影响，最终确定了完整的设计版图。

通过合理选择电路结构，优化参数和布局，在29～32 GHz内实现了良好的性能。其拓扑结构如图2所示。

1.2 功分器设计

图2 移相器等效电路原理

单枝节的Wilkinson功分电路如图3所示，可实现同相、不同比例的功率分配。图中，支路传输线的特性阻抗Z1、Z2由所需功分比决定，Z3、Z4为1/4波长阻抗变换线，使输出端与Z0匹配，降低反射系数。位于两功分支路之间的电阻R为隔离电阻，在实际设计中，取两支路的电长度为270°，以增大两分支间距，减小耦合。文中为简化设计，令Z1=Z2，Z3=Z4=Z0。Z1、Z2初值由下式给出：

图3 Wilkinson功分电路等效原理

1.3 多功能芯片版图布局与设计

在Ka波段双路移相衰减多功能芯片的版图布局中，将对外界阻抗变化较敏感的衰减位和移相位尽量排列在功能模块的中间，以保证其精度。将各分块的S参数导入ADS并建模，搭建双路移相器和衰减器联合仿真电路。在不影响电路性能的前提下，综合考虑版图布局和工艺要求，对某些移相位和衰减位进行了合理交换，以减小芯片面积。同时，针对各功能单元间电磁干扰情况进行了电磁仿真优化。在数字驱动器和射频间加入栅栏地孔，形成电磁隔离带，减小串扰。

2 多功能MMIC的研制结果与分析

GaAs E/D PHEMT工艺可以将微波电路和数字驱动电路同时在GaAs衬底上制作完成，满足本次设计需要。最终设计完成的Ka波段双路移相衰减多功能芯片版图如图4所示。

图4 多功能芯片

单片测试采用微波探针在片测试系统完成，该平台可实现自动化电源控制与数据采集，测试效率高，测试结果准确。

在29～32 GHz范围内，芯片输入输出VSWR均在1.5以下，端口匹配良好。全频带插入损耗≤17.2 dB，且平坦度＜1 dB。64态下的移相均方根误差(RMSps)＜等于3°，64态衰减均方根误差(RMSATT)≤0.7 dB，性能良好，与设计目标相吻合。

3 结束语

文中研制了一款高集成的Ka波段双路移相衰减多功能芯片，采用GaAs E/D PHEMT 工艺制作，将两路数控移相器、两路数控衰减器、数字驱动电路及功分器在一块GaAs单片上设计完成，该芯片整体仅尺寸为5.50 mm×3.80 mm×0.07 mm，在29～32 GHz范围内输入输出驻波比VSWR≤1.5，插入损耗Loss≤17.2 dB，64态移相精度RMS≤3°，64态衰减精度RMS≤0.7 dB，性能良好，为小型化Ka波段通信系统的研制提供了很好的选择方案。