基于GaAs工艺的L波段收发多功能芯片设计

高 显，戴 剑，傅 琦

（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051）

0 引 言

无线通信领域的飞速发展，为单片微波集成电路的无线收发机提供了很大的应用市场[1]。多功能芯片（Multi-Function Chip，MFC）作为无线收发机的核心功能器件发挥着重要作用。文章基于0.15μm GaAs 伪形态高电子迁移率晶体管（Pseudomorphic High Eleotron Mobility Transistor，PHEMT）工艺，设计并制作了L 波段收发多功能芯片，内部集成6 位数控衰减器、6 位数控延时器、接收放大器、发射放大器、单刀双掷开关及数字驱动电路，具有良好的幅相、收发切换、功率特性以及高集成度。在传统多功能单元电路的基础上，将数控移相器换为数控延时器，可以为通信系统提供更精准的相位控制[2-4]。

1 电路设计

1.1 总体设计

L 波段收发多功能芯片总体设计链路如图1 所示，接收通道与发射通道共用6 位数控延时器以减小芯片尺寸，延时器用来补偿不同频率引起的相位差；接收放大器和发射放大器根据链路指标需求具备一定增益，用来补偿无源电路的插入损耗，并提供一定的输出功率，在接收通道增加6 位数控衰减器实现幅度调制功能；单刀双掷开关（Single Pole Double Throw，SPDT）用来实现收发切换，并在SPDT 后增加50 Ω 的负载开关，保证负载态时芯片内部不失配。芯片总体设计链路如图1 所示。

图1 总体设计链路

1.2 延时器设计

6 位数控延时器由6 个基本延时位（12.02 ps、24.04 ps、48.08 ps、96.16 ps、192.32 ps、384.64 ps）组成，可实现步进值为12.02 ps 的64 个延时状态，延时范围为12.02 ～757.17 ps。

为了实现芯片小型化，3 位小延时位采用2 个互补的PHEMT 开关管T1、T2控制的T 型延时网络实现，如图2 所示。通过PHEMT 开关管T1、T2的导通、关断切换参考支路和延时支路，当零偏置栅电压加载到PHEMT 开关管栅极时，开关管导通，呈低阻状态；当PHEMT 开关管栅源负偏置在数值上大于夹断电压时，PHEMT 开关管关断，等效为一个电阻和电容的串并联组合网络。参考态时，PHEMT 开关管T1导通，PHEMT 开关管T2关断，电路等效为一个小电阻；延时态时，PHEMT 开关管T1关断，PHEMT 开关管T2导通，电路等效为电感L1和电容C1构成的恒阻延时网络，具备一定延时量；延时态和参考态的延时量差值即为所设计延时量[5]。

图2 T 型延时网络拓扑结构

T型延时网络拓扑结构具有低插损和小尺寸的优点，但受限于延时精度和端口匹配情况，不适用于较大延时量。3 个大位延时为保证高延时精度，采用单刀双掷开关实现参考支路和延时支路的切换，延时支路采用恒阻延时网络级联构成，可满足宽带、大延时量需求，并具备良好的延时精度。参考支路采用衰减电路抵消延时支路产生的损耗，保证两路间较小的幅度波动。开关型恒阻延时网络拓扑结构如图3 所示[6,7]。

图3 开关型恒阻延时网络拓扑结构

1.3 衰减器设计

6 位数控衰减器由6 个基本衰减位（-0.5 dB、-1 dB、-2 dB、-4 dB、-8 dB、-16 dB）组成，以-0.5 dB的步进衰减，可以实现64 种衰减状态，衰减范围为-0.5 ～-31.5 dB。

-0.5 dB 与-1 dB 这2 个小位衰减采用T 型衰减结构，在保证衰减精度的同时，节省芯片面积且损耗小[8]。T 型衰减结构不适用于大衰减量，宽带平坦度较差，同时易受相邻电路阻抗拉偏影响，T 型衰减拓扑结构如图4 所示。PHEMT 开关管T5关断为参考态，PHEMT 开关管T5导通为衰减态，衰减态插损与参考态插损之差即为所设计衰减量[9]。

图4 T 型衰减拓扑结构

-2 dB、-4 dB、-8 dB 衰减位采用开关Π 型衰减结构，-16 dB 衰减位采用2 个-8 dB 衰减位串联组成。开关Π 型衰减结构具有优良的宽带性能和端口驻波特性，可实现高精度的大衰减量，与T 型衰减结构相比损耗较大，开关Π 型衰减拓扑结构如图5 所示。PHEMT 开关管T6导通、T7关断为参考态；PHEMT开关管T6关断、T7导通为衰减态。

图5 开关Π 型衰减拓扑结构

1.4 接收放大器与发射放大器设计

接收通道包含6 位数控衰减器、6 位数控延时器以及开关电路，为实现接收通道所需增益和功率，需级联接收放大器单元电路，为降低接收通道噪声，将接收路放大器置于接收通道输入端。接收放大器原理如图6 所示。由于接收放大器增益要求较低，选用单级放大器即可实现；放大器设计首先需选择适当的功率管，基于噪声性能考虑，功率管应偏置在较低电流，在此偏置下，功率管的功率容量比处于较高偏置时要小，根据放大器噪声和功率指标需求，功率管尺寸选取4 μm×50 μm；采用源极电阻、电容并联的偏置网络实现功率管所需工作电流和偏压，同时提高电路稳定性；采用电阻、电容串联的负反馈结构，有效改善带内增益平坦度和工作带宽；功率管需与输入、输出网络良好匹配，从而获得较低的噪声系数和良好的输出功率特性。

图6 接收放大器原理

发射通道包含6 位数控延时器和开关电路，为实现发射通道所需增益及功率，需级联发射放大器单元电路，为降低发射通道功耗，将发射放大器置于发射通道输出端。发射放大器原理如图7 所示。由于发射放大器增益要求较高，选用2 级放大电路实现；采用双电源偏置，相比于单电源偏置的放大器，可以节省直流功耗。2 级功率管F2、F3采用同一VD 提供漏极正偏压，同一VG 提供栅极负偏压，偏置电路的电感和去耦电容可以防止射频信号进入直流偏置电路，保证电路稳定性[10]。综合考虑增益、功率、功耗指标，发射放大器输入端口驻波良好，与外部无源电路可以良好匹配，功率管级间采用共轭匹配，保证所需功率和增益。

图7 发射放大器原理

1.5 其他电路设计

单刀双掷开关采用串并联PHEMT 开关管结构实现，具有小尺寸、端口驻波良好以及隔离度高等优点，高隔离度保证了接收和发射通道间的隔离度需求；数字驱动电路包含电平转换电路单元，将输入信号转换成pHEMT 开关管所需的0 V/-5 V 控制电平。

2 在片测试结果

图8 为L 波段收发多功能芯片在片测试结果，接收通道增益大于3 dB，1 dB 压缩输入功率大于3 dBm，噪声系数小于4 dB，64态衰减精度均方根（Root Mean Square，RMS）小于0.6 dB，64 态延时精度RMS小于8 ps；发射通道增益大于24 dB，饱和输出功率大于23 dBm，64 态延时精度RMS 小于8.7 ps。

3 结 论

采用0.15μm GaAs PHEMT 工艺技术研制的L 波段收发多功能芯片，芯片内部集成6 位数控衰减器、6 位数控延时器、驱动放大器、开关及数字驱动电路。在1.1 ～1.6 GHz 的频带范围内，接收通道增益大于3 dB，1 dB 压缩输入功率大于3 dBm ，噪声系数小于4 dB，64 态衰减精度均方根小于0.6 dB，64 态延时精度RMS 小于8 ps；发射通道增益大于24 dB，饱和输出功率大于23 dBm，64 态延时精度RMS 小于8.7 ps。芯片具有高集成度、优异的幅相控制功能以及一定的增益和功率指标，适用于无线通信领域。

图8 L 波段收发多功能芯片在片测试结果