用于X波段相控陣系統(tǒng)的高線性度低附加相移數(shù)字衰減器設(shè)計(jì)

鄧 青，汪粲星，萬(wàn)川川，張 浩

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京 210039）

用于X波段相控陣系統(tǒng)的高線性度低附加相移數(shù)字衰減器設(shè)計(jì)

鄧 青，汪粲星，萬(wàn)川川，張 浩

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京 210039）

設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于X波段相控陣系統(tǒng)的6位數(shù)字衰減器，該衰減器具有高線性度和低附加相移的特點(diǎn)。對(duì)常規(guī)開(kāi)關(guān)Pi型衰減器的附加相移和線性度進(jìn)行了分析，通過(guò)電感和電容補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在寬帶頻率范圍和不同衰減狀態(tài)下都具有低的附加相移。此外，利用浮動(dòng)襯底技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)較高的線性度。該衰減器基于0.13μm的BiCMOS工藝設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果顯示該衰減器的插入損耗為6.67 dB，10 GHz下在最小衰減和最大衰減處的1 dB壓縮點(diǎn)輸入功率分別為15.5 dBm和10 dBm。

X波段；衰減器；相位校正；高線性度；相控陣；TSV；BiCMOS

1 引言

衰減器是現(xiàn)代通信系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制環(huán)路、調(diào)制器和相控陣系統(tǒng)中[1]。在相控陣系統(tǒng)中，衰減器在不同衰減狀態(tài)下必須具有非常低的相位誤差[2]。此外，到達(dá)衰減器處的信號(hào)通常非常大，因此衰減器必須具有足夠高的線性度來(lái)處理大信號(hào)[3]。

大多數(shù)數(shù)字衰減器基于兩種基礎(chǔ)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：Pi型衰減器和T型衰減器，由開(kāi)關(guān)和電阻組成，因此衰減器的性能高度依賴(lài)于開(kāi)關(guān)性能[4，5]。由于微波頻率下晶體管的開(kāi)關(guān)性能很差，開(kāi)關(guān)難以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。電路中的開(kāi)關(guān)主要是由III-V族半導(dǎo)體器件構(gòu)成，例如具有低導(dǎo)通電阻和截止電容的GaAs HEMT或PIN二極管。但是GaAs工藝產(chǎn)量低，需要外部控制電路，并且價(jià)格昂貴。

2 電路設(shè)計(jì)

本文采用的衰減器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。6位數(shù)字衰減器采用了電感和電容補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，具有31.5 dB的高衰減范圍，衰減步徑為0.5 dB，由0.13 μm的BiCMOS工藝制備。0.5 dB衰減器采用T型網(wǎng)絡(luò)，其他衰減器采用Pi型網(wǎng)絡(luò)。16 dB衰減器由兩個(gè)8 dB衰減器串聯(lián)級(jí)聯(lián)，可在最大衰減狀態(tài)下獲得良好的線性度。在每?jī)杉?jí)衰減器之間，使用小值電感來(lái)諧振寄生電容以獲得良好的端口阻抗匹配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)良好的幅度步進(jìn)誤差。電感和電容補(bǔ)償也用于實(shí)現(xiàn)低相位誤差和低幅度步進(jìn)誤差。從負(fù)載效應(yīng)和功率處理能力兩方面考慮，來(lái)選擇適當(dāng)比特排序以獲得最佳性能。

圖1 衰減器的結(jié)構(gòu)示意圖

通過(guò)高值電阻對(duì)開(kāi)關(guān)的柵極和襯底施加偏壓。該結(jié)構(gòu)在RF頻率下呈現(xiàn)高阻抗，并且開(kāi)關(guān)的柵極和襯底的輸入電壓由單個(gè)MOSFET的漏極和源極電壓控制，可獲得良好的功率處理能力和高線性度[6]。

2.1 幅度和相位補(bǔ)償

圖2是Pi型衰減器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其等效電路。從圖2（a）可以看出，MOSFET是數(shù)字步進(jìn)衰減器的關(guān)鍵元件。為簡(jiǎn)化分析，開(kāi)關(guān)模型可以由如圖2（b）和圖2（c）所示的導(dǎo)通電阻Ron和截止電容Coff近似，該模型忽略了體寄生電容和串聯(lián)寄生電感。從圖2（c）可以看出，輸入信號(hào)可以直接通過(guò)Coff輸出，這可能導(dǎo)致衰減不夠。為了增大高頻下的衰減，增加了與電阻Rp并聯(lián)的電容Cp，當(dāng)頻率增加時(shí)，并聯(lián)阻抗變小，從而補(bǔ)償衰減值。

圖2 Pi型衰減器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其等效電路

從圖2可以看出，截止?fàn)顟B(tài)的傳輸函數(shù)為高通特性，導(dǎo)致衰減態(tài)的相位比參考相位超前。為了壓縮該相，并聯(lián)了一個(gè)低通特性電路。因此，電路中增加了改變相位的電感Ls和電容Cp[7]。原理圖和等效電路如圖3所示。

圖3 壓縮相位的Pi型電路原理圖及等效電路

通過(guò)選擇合適的Ls和Cp，衰減態(tài)的傳輸相位可以近似于期望頻率處的非衰減相位。在低衰減狀態(tài)下，由于相位偏差較小，所以不需要補(bǔ)償電感。并聯(lián)的電容Cp和電阻Rp可以形成低通濾波器，并實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償。為了避免并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)影響衰減程度，將電阻Rc與電感Ls串聯(lián)。圖4為常規(guī)結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的8 dB衰減器的相位特性。

圖4 常規(guī)結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的衰減器相位特性

2.2 高線性度設(shè)計(jì)

從T型和Pi型這兩種基本類(lèi)型的衰減器可以看出，數(shù)字衰減器由MOSFET和電阻組成。CMOS數(shù)字衰減器的非線性響應(yīng)（如輸入壓縮點(diǎn)）主要是由于阻抗變化導(dǎo)致的[8，9]。通常，電阻的線性度非常好，非線性度主要來(lái)自有源器件，即MOSFET。在衰減器中，開(kāi)關(guān)是工作在三極管區(qū)的單個(gè)NMOS晶體管，其導(dǎo)通電阻可以由下式給出：

其中Kn由工藝決定，Vgs是柵極和源極之間的電壓。Vth是MOSFET的閾值電壓，θ是和一階源串聯(lián)電阻、垂直電場(chǎng)引起的遷移率退化和短溝道器件中橫向電場(chǎng)引起的速率飽和等效應(yīng)相關(guān)的系數(shù)。Vth0是當(dāng)Vbs=0時(shí)的閾值電壓，γ是體閾值參數(shù)，φf(shuō)是體費(fèi)米電勢(shì)，Vbs是體和源之間的電壓。

從公式（1）和（2）可以看出，導(dǎo)通電阻是MOSFET的Vgs和Vbs的函數(shù)。較小的電壓擺動(dòng)導(dǎo)致小的阻抗變化。當(dāng)輸入信號(hào)非常大時(shí)，Vgs和Vbs變化很大，會(huì)導(dǎo)致巨大的非線性度。為了獲取固定阻抗，希望Vgs和Vbs不隨輸入信號(hào)變化而變化。常規(guī)的RF MOSFET開(kāi)關(guān)如圖5（a）所示。

圖5 MOSFET開(kāi)關(guān)

從圖5（a）可以看出，柵極電壓由于寄生電容Cgs和高值電阻Rg而隨源極電壓Vin變化，這僅實(shí)現(xiàn)了Vgs保持近似恒定。當(dāng)輸入信號(hào)Vin改變時(shí)，電壓Vbs仍然會(huì)隨之變化。因而采用了如圖5（b）所示的浮動(dòng)襯底技術(shù)，MOSFET的襯底不是直接接地，而是通過(guò)高值電阻Rb接地。與柵極類(lèi)似，當(dāng)Vin改變時(shí)，由于寄生電容Cbs和電阻Rb，襯底電壓隨之改變，從而維持Vgs和Vbs幾乎不變。要實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)的NMOSFET襯底，需要采用深阱工藝以隔離各個(gè)晶體管。通常，電阻Rg和Rb越大越好，但是大的Rg將會(huì)降低開(kāi)關(guān)速度。因此，Rb的阻值可以非常大，甚至可以將晶體管襯底網(wǎng)絡(luò)開(kāi)路。圖6是相同尺寸下的兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MOSFET開(kāi)關(guān)的仿真結(jié)果?？梢钥闯?，浮體開(kāi)關(guān)的輸入1 dB壓縮點(diǎn)（P1dB）比常規(guī)開(kāi)關(guān)高6 dB。

圖6 4 dB的Pi型衰減器的P1dB

2.3 版圖設(shè)計(jì)

基于IBM的8HP 0.13 μm BiCMOS工藝設(shè)計(jì)了圖1所提出的6位衰減器。衰減器的版圖如圖7所示，包括所有焊盤(pán)和旁路電容在內(nèi)的芯片面積為400 μm× 1400 μm。

為了獲得低幅度步進(jìn)誤差，必須實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。多晶硅電阻的絕對(duì)精度非常差。此外，各級(jí)衰減器的參考地被隔離開(kāi)，每級(jí)衰減器的參考地通過(guò)TSV直接接地。TSV的電感非常小，僅為約50 pH，小的寄生電感有利于提高高頻特性。

圖7 衰減器版圖

3 仿真結(jié)果

圖8（a）和（b）分別顯示了在7～13 GHz范圍內(nèi)的輸入和輸出匹配性能的仿真結(jié)果。在此頻段內(nèi)，S11和S22都低于-20 dB。良好的端口回波損耗可以避免連接到其他設(shè)備時(shí)由于端口阻抗引起的衰減步徑誤差?lèi)夯?/p>

圖8 7～13 GHz范圍內(nèi)輸入和輸出匹配性能仿真結(jié)果

圖9不同增益模式下的衰減器損耗

圖9 顯示了在不同增益模式下衰減器的損耗。從圖9可以看出，10 GHz時(shí)插入損耗約為6.67 dB。圖10顯示了不同衰減等級(jí)下的插入相移，在X波段內(nèi)插入相移低至-1°～0.5°。衰減器的幅度和相位的均方根誤差參見(jiàn)圖11。圖12展示了衰減器的線性度，10 GHz下非衰減的1 dB壓縮點(diǎn)的輸入功率約為15.5 dBm。

圖10 不同衰減等級(jí)下的插入相移

圖11 衰減器的幅度和相位RMS誤差

圖12 輸入1 dB壓縮點(diǎn)

表1是本文和國(guó)內(nèi)外數(shù)控GaAs衰減芯片的性能對(duì)比。從表1中可以看出，本文中設(shè)計(jì)的衰減器的附加相移顯著低于其他GaAs衰減器，并且回波損耗低，端口匹配好，其他性能也可以與各類(lèi)GaAs衰減器相媲美。

4 結(jié)論

本文提出了一種具有高線性度和低附加相移的6位數(shù)控衰減器。該衰減器基于IBM 0.13 μm BiCMOS工藝，其最大衰減量為31.5 dB，步進(jìn)0.5 dB，插入損耗＜6.67 dB，回波損耗＜-20 dB，10 GHz下輸入l dB壓縮點(diǎn)值為15.5 dBm，附加相移低至-1°～0.5°。仿真結(jié)果表明該衰減器性能可與現(xiàn)有各類(lèi)GaAs衰減器相媲美。

表1 本論文中的設(shè)計(jì)與其他GaAs衰減器的性能對(duì)比

參考文獻(xiàn)：