一种高精度6 位数控移相器研制

张镇，李光超，蒋乐，周睿涛，周宏健

（中科芯集成电路有限公司，江苏无锡 214000）

随着微波技术的不断发展，MMIC 以其优良的稳定性，较强的抗干扰能力和成本相对低廉等优势在军事和民用两方面都得到了广泛的应用[1-4]。数控移相器作为电子对抗和相控阵雷达等领域中收发组件的重要组成部分，其性能的好坏也直接决定了这些领域的综合性能[5-7]。

该次产品研制基于0.18 μm GaAs 工艺，针对2～6.5 GHz 工作频段的移相器芯片进行了研究设计。5.625°移相单元设计中采用桥T 型高/低通滤波拓扑结构。11.25°、22.5°、45°、90°、180° 5 个移相单元设计中采用SPDT 开关切换全通滤波拓扑结构。

1 6位数控移相器基本原理

文中的数控移相器是由6 个独立的移相电路级联而成的。在控制中，以驱动器为基础，使用6 个独立的控制信号来控制各个移相单元。该移相器以5.625°为相移步进，最大相移量为354.375°。相移量Δφ如式（1）所示[8]：

其中，n=5，Δφmin为最小相移。

6 位数控移相器系统框图如图1 所示。通过控制信号的“0”和“1”两种状态来控制高低电平。

图1 移相器系统框图

2 电路设计

2.1 5.625°移相器单元设计

桥T 型高/低通滤波拓扑结构具有相对较低的插入损耗和较小的版图面积，适用于小移相位移相器设计[9]。在5.625°移相器单元设计时采用该结构，结构如图2 所示。

图2 桥T型高/低通滤波拓扑结构原理图及等效电路图

图2 中，移相器的各个电感、电容初值的计算公式如下：

其中，ω0为中心频率，Z0为特征阻抗。

2.2 11.25°、22.5°、45°、90°、180°移相器单元设计

由于SPDT 开关控制结构简单并且具有较小的版图面积[10-12]，在设计11.25°、22.5°、45°、90°、180°移相器单元采用了该结构。再者，为了获得高的移相精度，在设计此5 个移相器单元时，采用了全通滤波拓扑结构[13]，牺牲了约2 dB 的插入损耗。结构如图3所示。

图3 SPDT开关切换全通滤波拓扑结构图

图3 中，移相器的各个电感、电容初值的计算公式如下：

其中，ω为传输频率。

2.3 数控移相器级联设计

在设计完各个独立的移相单元后，要对移相器的整体电路进行设计仿真以及对移相单元进行级联[14]。6 个移相单元级联方式不同，最终整体电路的性能也有很大的不同，主要在于各个级联的移相位之间的端口匹配度，所以要对级联方式进行多次尝试调整，选择最优的级联方式，使得两个相邻移相单元的端口匹配优良。

在整体设计中，可参考各个移相单元回波损耗进行排列。由于回波损耗越好，相邻移相单元所受影响越小，所以在级联时如果某个移相单元的回波损耗相对较差，可以在该移相单元两边加上具有较好回波损耗的移相单元，这样整体电路的优化相对简易。

2.4 驱动器电路设计

由于直接耦合场效应晶体管逻辑电路有结构简单、功耗低并且是单正电源供电等优势，该研制在设计控制电路时采用了此结构。其基本DCFL 反相电路如图4(a)所示[15]。

在对驱动电路进行设计时，管子的尺寸是决定电路驱动能力的一个重要因素，所以在设计时要对管子尺寸进行多次优化。

电路控制电压Vin可以通过对DCFL反相电路进行级联转换为两个互补的输出电压Vout1、Vout2。这两个互补的输出电压用来驱动单个移相单元的相反两种状态的开关管。驱动器电路的结构框图如图4(b)所示。

图4 驱动器原理图

3 芯片测试

在对移相器进行测试时，使用计算机控制测试仪器来对芯片的状态进行控制，并得到最终的测试数据。其系统框图如图5 所示。

图5 数控移相器测试系统框图

为了得到更加准确以及重复性高的结果，并且方便测试人员测试，在对数控移相器进行测试时，使用探针台进行在片测试是一个极优的选择。测试方法如下：

1）使用射频线将探针台上的探针跟矢量网络分析仪相连，并对S 参数进行在片校准以剔除探针台自身和射频线对最终测试结果的影响，提高S 参数结果的精确性。

2）将需要测试的数控移相器芯片放置到探针台上并用探针压好。通过计算机测试程序控制芯片各个引脚的电压来控制芯片内部移相模块的开关状态，然后用矢量网络分析仪对S 参数进行采集，将采集完成的数据返送回计算机中。

3）由于移相器为6 位，按以上方法循环64 次，移相器的64 种状态下的测试结果都会汇总到计算机中，供测试人员确认最终结果。

4 测试结果

数控移相器的芯片实物如图6 所示。移相器芯片尺寸为4.5 mm×1.7 mm×0.1 mm。

图6 6位数控移相器芯片实物图

图7 为6 位数控移相器64 种状态下的输入、输出测试曲线，由测试结果可知，移相器在2～6.5 GHz工作频段的输入和输出驻波均小于1.7，匹配优良。

图7 64态输入输出测试曲线图

图8(a)为6 位数控移相器的插入损耗测试曲线图，由测试结果可知，移相器在工作频段内插入损耗小于17 dB。图8(b)为6 位数控移相器的移相精度测试曲线图，由测试结果可知，移相器在工作频段内移相精度小于3°。

图8 插入损耗和移相精度测试曲线图

图9(a)为6 位数控移相器的64 态相位测试曲线图，由测试结果可知，在工作频段内各个移相态之间没有重合，分布均匀。图9(b)为6 位数控移相器的64态寄生调幅测试曲线图，由测试结果可知，移相器在工作频段内64 态寄生调幅小于±0.8 dB。

图9 64态相位测试和寄生调幅测试曲线图

表1 为该文设计的移相器和文献及市场在售同类型移相器（中国电子科技集团第13 研究所产品BW335D 和中国电子科技集团第55 研究所产品WYD020065-6-1）的对比表。

表1 数控移相器对比表

5 结论

采用0.18 μmGaAs PHEMT 工艺研制了一款2～6.5 GHz 高精度6 位数控移相器。通过采用桥T 型高/低通滤波拓扑结构设计5.625°移相器单元，采用全通滤波开关拓扑结构设计11.25°、22.5°、45°、90°、180°移相器单元，对各个单元进行了独立的设计。最后用级联的方式对6 位数控移相器整体电路进行了设计和优化，测试结果表明，在2～6.5 GHz 工作频段内，移相器的插入损耗小于17 dB，输入输出驻波小于1.7，移相精度小于3°，寄生调幅小于±0.8 dB。此款移相器测试结果虽然相比于同类型移相器设计在插入损耗这一性能上有了一定的牺牲，但是在移相精度上有了明显的提高，实现了高精度的性能。