10～18 GHz 高精度单片数控移相器设计

周宏健，蒋乐，李光超，周睿涛

（中科芯集成电路有限公司，江苏无锡 214000）

自上世纪六十年代诞生以来，单片微波集成电路（MMIC）的研究浪潮就未曾停歇。从相控阵雷达、卫星通信到汽车雷达、移动通信，MMIC 技术凭借体积小、质量轻、寄生参数小、可控性好等优点活跃在各个领域。数控移相器作为微波相控阵雷达系统中收发（T/R）组件的核心元件之一，在相控阵雷达系统中，使用量可达几百只甚至上千只，它的体积、性能、可靠性、成本以及研制设计制造能力将直接关系着系统设计的成败，因此关于数控移相器的研究具有重要意义[1-2]。随着GaAs MMIC 技术的快速发展，使得更宽带宽、更小尺寸、更高精度的微波单片数控移相器得以实现。

在宽带数控移相器设计中，常用的电路结构有反射型移相器和高低通滤波器型移相器[3]。反射型移相器虽然精度较高但芯片面积较大，不利于降低单片数控移相器的成本。高低通滤波器型移相器结构紧凑、设计简单，但宽带的移相精度相对较低。为了实现更宽带宽内的高精度移相性能，可以采用全通滤波器型移相器结构。全通网络可以在高频实现约4～5 个倍频程带宽内某一角度的相移，同时电路面积要小于反射型移相结构。

基于0.25 μm GaAs PHEMT 工艺设计了一款高精度宽带单片六位数控移相器芯片，设计过程中综合采用桥T 型移相结构、高低通滤波器和全通滤波器移相结构，通过对全通滤波器型移相器结构的改进，进一步缩小了移相器面积，同时还保持了很高的移相精度。最终流片测试结果表明，设计的数控移相器在10～18 GHz 频段内综合性能优良，芯片面积和移相精度均优于业内同类芯片。

1 单片数控移相器的原理

移相器是用来改变射频信号相位的器件，输入信号经过移相器，输出信号会产生一定的相位偏移量。移相器输出信号的相位偏移量可以是连续变化或者离散变化的，如果相位偏移量是连续的，则称这种移相器为模拟移相器；反之如果相位偏移量是按照预设的离散值变化，则称之为数控移相器。与模拟移相器相比，在保证良好的移相精度和端口回波损耗的前提下，数控移相器可以达到更宽的移相带宽。更重要的是，数控移相器在工作时不易受到控制信号中的噪声影响。

数控移相器通常由若干移相单元级联形成，每个移相单元包含参考态和移相态电路，输入信号经过移相单元的移相态或参考态电路，输出信号之间的相位差就是这个移相单元的移相量。文中所设计的六位数控移相器，主态移相单元的相位偏移量为5.625°、11.25°、22.5°、45°、90°和180°。使用该移相器时，通过改变外加的直流偏置电压可以控制六个主态移相单元是否产生相位偏移量，进而就可以实现0～354.375°范围内共64 种移相态，步进为5.625°。

2 单片数控移相器的设计

2.1 5.625°、11.25°、22.5°移相单元设计

图1 移相单元电路拓扑

寄生调幅ΔL的计算公式为：

式中，ILps是电路处于移相态（PHEMT1 和PHEMT2 关断，PHEMT3 导通）的插入损耗，ILref是电路处于参考态（PHEMT1 和PHEMT2 导通，PHEMT3关断）的插入损耗。

2.2 45°移相单元设计

对于相位偏移量45°的移相单元，桥T 型移相网络很难获得较好的移相精度，因此采用开关选择全通滤波器型移相网络，如图2 所示。

图2 开关选择全通滤波器型移相网络

全通滤波器的插入相位为180°时的工作频率称为转换频率，合理选择全通滤波器的LC元件值可以得到不同的转换频率，利用两个不同转换频率的全通滤波器可以产生所需的相位差，这就是开关选择全通滤波器型移相网络的工作原理。图2 中的一对全通滤波器的元件初值由式（2）-（5）确定：

式中，ωm为移相器工作频段的中心频率，变量p取值1.104[8]。

选定合适的开关管尺寸后，使用仿真软件对电路进行优化。为了保证足够的移相精度，一级全通滤波器移相网络的移相带宽是有限的，需要级联两个全通滤波器来拓展移相带宽，但是电路面积也会变大。因此在优化过程中对两级全通滤波网络进行了改进，如图3 所示。对于参考态电路，在全通滤波器两端增加了补偿电容Ca3，可以改善低频附近的移相精度。对于移相态电路，省去串联电容简化成低通滤波器结构，使电路尺寸得到压缩；同时在低通滤波器两端增加对称的并联电容，展宽低通滤波网络的移相带宽。最终优化得到的45°移相单元电路与级联全通滤波器型移相电路相比，不仅保证了较高的移相精度，而且结构更简单，面积更小。

图3 45°移相单元电路拓扑

2.3 90°、180°移相单元设计

90°和180°移相单元需要达到较大的相位偏移量，因此在45°移相单元电路的基础上进一步增加了阶数，仿真显示约需级联三个全通滤波器才能达到较高的移相精度。通过反复优化，选定了如图4 所示的电路结构。对于参考态电路，采用两级全通滤波器级联，中间添加T 型高通滤波器。对于移相态电路，采用七阶低通滤波器，以实现足够的带宽和良好的移相平坦度。这种移相结构与三级全通滤波器级联结构相比，减少六个电感电容元件，且结构简化更便于布版，电路面积可以得到有效缩减。

图4 90°、180°移相单元电路拓扑

2.4 移相单元级联设计

六位主态移相单元设计完成后，需要按照合理的顺序进行级联，为了使级联之后的布局紧凑、性能良好，选择将端口驻波较好的大位移相单元180°和90°分别置于输入和输出端，将电路结构简单、元件数少的三个小位移相单元5.625°、11.25°和22.5°互联便于压缩整体电路尺寸，互联时兼顾相邻端口的阻抗匹配。经过多次调整优化，最终确定六位主态移相单元的级联顺序如图5 所示。

图5 六位数控移相器级联原理图

文中设计的10～18 GHz 六位数控移相器集成了并行驱动器电路，驱动器采用直接耦合场效应晶体管逻辑电路（DCFL）搭建而成，其优点是电路简单且速度快[10]。更关键的是，选择与数控移相器相同的GaAs 工艺进行并行驱动器的设计，可以实现数字电路与微波电路集成在一颗单片移相器芯片上，不仅便于外部电路的使用，而且有利于提高整个系统的集成度。如图5 所示，直流偏置电压经过DCFL 式驱动器输出一对控制电平，选通移相单元的参考态或移相态电路，因此只需要切换六位直流偏置电压V1-V6即可控制数控移相器产生64 种不同的相位偏移量，而原本的六位数控移相器需要12 个控制端才能工作。由此可见，集成并行驱动器的数控移相器更加实用高效。

3 单片数控移相器的实现

10～18 GHz 单片数控移相器采用0.25 μm GaAs PHEMT 工艺流片制造，最终得到的移相器芯片的实物面积为2.7 mm×1.4 mm。

使用微波探针台、矢量网络分析仪和直流电源对单片数控移相器进行在片测试，主要电性能的测试曲线如图6 所示。

图6 数控移相器芯片测试结果

4 性能分析

文中所设计的10～18 GHz 数控移相器与国内外同频段移相器的性能对比如表1 所示。

表1 单片数控移相器对比表

对比可见，该文设计的数控移相器牺牲约2 dB插入损耗，在10～18 GHz 的宽频带内获得了很高的移相精度，而且芯片面积较小，同时还在芯片内部集成了并行驱动器，便于使用。

5 结论

文中介绍了一款采用0.25 μm GaAs PHEMT 工艺制造的高精度六位数控移相器芯片[17-19]，芯片面积为2.7 mm× 1.4 mm。该移相器电路改进了全通滤波移相结构，采用全通-高通-低通混合移相结构，在保持高移相精度的同时缩小了芯片面积。测试结果表明，移相器在10～18 GHz 工作频段内，移相精度达到2°，插入损耗12 dB，寄生调幅小于±0.5 dB，输入输出端口驻波小于1.5，综合性能优越，可应用于宽带相控阵系统中。