一種高精度6 位數(shù)控移相器研制

張鎮(zhèn)，李光超，蔣樂，周睿濤，周宏健

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214000）

隨著微波技術的不斷發(fā)展，MMIC 以其優(yōu)良的穩(wěn)定性，較強的抗干擾能力和成本相對低廉等優(yōu)勢在軍事和民用兩方面都得到了廣泛的應用[1-4]。數(shù)控移相器作為電子對抗和相控陣雷達等領域中收發(fā)組件的重要組成部分，其性能的好壞也直接決定了這些領域的綜合性能[5-7]。

該次產(chǎn)品研制基于0.18 μm GaAs 工藝，針對2～6.5 GHz 工作頻段的移相器芯片進行了研究設計。5.625°移相單元設計中采用橋T 型高/低通濾波拓撲結構。11.25°、22.5°、45°、90°、180° 5 個移相單元設計中采用SPDT 開關切換全通濾波拓撲結構。

1 6位數(shù)控移相器基本原理

文中的數(shù)控移相器是由6 個獨立的移相電路級聯(lián)而成的。在控制中，以驅動器為基礎，使用6 個獨立的控制信號來控制各個移相單元。該移相器以5.625°為相移步進，最大相移量為354.375°。相移量Δφ如式（1）所示[8]：

其中，n=5，Δφmin為最小相移。

6 位數(shù)控移相器系統(tǒng)框圖如圖1 所示。通過控制信號的“0”和“1”兩種狀態(tài)來控制高低電平。

圖1 移相器系統(tǒng)框圖

2 電路設計

2.1 5.625°移相器單元設計

橋T 型高/低通濾波拓撲結構具有相對較低的插入損耗和較小的版圖面積，適用于小移相位移相器設計[9]。在5.625°移相器單元設計時采用該結構，結構如圖2 所示。

圖2 橋T型高/低通濾波拓撲結構原理圖及等效電路圖

圖2 中，移相器的各個電感、電容初值的計算公式如下：

其中，ω0為中心頻率，Z0為特征阻抗。

2.2 11.25°、22.5°、45°、90°、180°移相器單元設計

由于SPDT 開關控制結構簡單并且具有較小的版圖面積[10-12]，在設計11.25°、22.5°、45°、90°、180°移相器單元采用了該結構。再者，為了獲得高的移相精度，在設計此5 個移相器單元時，采用了全通濾波拓撲結構[13]，犧牲了約2 dB 的插入損耗。結構如圖3所示。

圖3 SPDT開關切換全通濾波拓撲結構圖

圖3 中，移相器的各個電感、電容初值的計算公式如下：

其中，ω為傳輸頻率。

2.3 數(shù)控移相器級聯(lián)設計

在設計完各個獨立的移相單元后，要對移相器的整體電路進行設計仿真以及對移相單元進行級聯(lián)[14]。6 個移相單元級聯(lián)方式不同，最終整體電路的性能也有很大的不同，主要在于各個級聯(lián)的移相位之間的端口匹配度，所以要對級聯(lián)方式進行多次嘗試調整，選擇最優(yōu)的級聯(lián)方式，使得兩個相鄰移相單元的端口匹配優(yōu)良。

在整體設計中，可參考各個移相單元回波損耗進行排列。由于回波損耗越好，相鄰移相單元所受影響越小，所以在級聯(lián)時如果某個移相單元的回波損耗相對較差，可以在該移相單元兩邊加上具有較好回波損耗的移相單元，這樣整體電路的優(yōu)化相對簡易。

2.4 驅動器電路設計

由于直接耦合場效應晶體管邏輯電路有結構簡單、功耗低并且是單正電源供電等優(yōu)勢，該研制在設計控制電路時采用了此結構。其基本DCFL 反相電路如圖4(a)所示[15]。

在對驅動電路進行設計時，管子的尺寸是決定電路驅動能力的一個重要因素，所以在設計時要對管子尺寸進行多次優(yōu)化。

電路控制電壓Vin可以通過對DCFL反相電路進行級聯(lián)轉換為兩個互補的輸出電壓Vout1、Vout2。這兩個互補的輸出電壓用來驅動單個移相單元的相反兩種狀態(tài)的開關管。驅動器電路的結構框圖如圖4(b)所示。

圖4 驅動器原理圖

3 芯片測試

在對移相器進行測試時，使用計算機控制測試儀器來對芯片的狀態(tài)進行控制，并得到最終的測試數(shù)據(jù)。其系統(tǒng)框圖如圖5 所示。

圖5 數(shù)控移相器測試系統(tǒng)框圖

為了得到更加準確以及重復性高的結果，并且方便測試人員測試，在對數(shù)控移相器進行測試時，使用探針臺進行在片測試是一個極優(yōu)的選擇。測試方法如下：

1）使用射頻線將探針臺上的探針跟矢量網(wǎng)絡分析儀相連，并對S 參數(shù)進行在片校準以剔除探針臺自身和射頻線對最終測試結果的影響，提高S 參數(shù)結果的精確性。

2）將需要測試的數(shù)控移相器芯片放置到探針臺上并用探針壓好。通過計算機測試程序控制芯片各個引腳的電壓來控制芯片內(nèi)部移相模塊的開關狀態(tài)，然后用矢量網(wǎng)絡分析儀對S 參數(shù)進行采集，將采集完成的數(shù)據(jù)返送回計算機中。

3）由于移相器為6 位，按以上方法循環(huán)64 次，移相器的64 種狀態(tài)下的測試結果都會匯總到計算機中，供測試人員確認最終結果。

4 測試結果

數(shù)控移相器的芯片實物如圖6 所示。移相器芯片尺寸為4.5 mm×1.7 mm×0.1 mm。

圖6 6位數(shù)控移相器芯片實物圖

圖7 為6 位數(shù)控移相器64 種狀態(tài)下的輸入、輸出測試曲線，由測試結果可知，移相器在2～6.5 GHz工作頻段的輸入和輸出駐波均小于1.7，匹配優(yōu)良。

圖7 64態(tài)輸入輸出測試曲線圖

圖8(a)為6 位數(shù)控移相器的插入損耗測試曲線圖，由測試結果可知，移相器在工作頻段內(nèi)插入損耗小于17 dB。圖8(b)為6 位數(shù)控移相器的移相精度測試曲線圖，由測試結果可知，移相器在工作頻段內(nèi)移相精度小于3°。

圖8 插入損耗和移相精度測試曲線圖

圖9(a)為6 位數(shù)控移相器的64 態(tài)相位測試曲線圖，由測試結果可知，在工作頻段內(nèi)各個移相態(tài)之間沒有重合，分布均勻。圖9(b)為6 位數(shù)控移相器的64態(tài)寄生調幅測試曲線圖，由測試結果可知，移相器在工作頻段內(nèi)64 態(tài)寄生調幅小于±0.8 dB。

圖9 64態(tài)相位測試和寄生調幅測試曲線圖

表1 為該文設計的移相器和文獻及市場在售同類型移相器（中國電子科技集團第13 研究所產(chǎn)品BW335D 和中國電子科技集團第55 研究所產(chǎn)品WYD020065-6-1）的對比表。

表1 數(shù)控移相器對比表

5 結論

采用0.18 μmGaAs PHEMT 工藝研制了一款2～6.5 GHz 高精度6 位數(shù)控移相器。通過采用橋T 型高/低通濾波拓撲結構設計5.625°移相器單元，采用全通濾波開關拓撲結構設計11.25°、22.5°、45°、90°、180°移相器單元，對各個單元進行了獨立的設計。最后用級聯(lián)的方式對6 位數(shù)控移相器整體電路進行了設計和優(yōu)化，測試結果表明，在2～6.5 GHz 工作頻段內(nèi)，移相器的插入損耗小于17 dB，輸入輸出駐波小于1.7，移相精度小于3°，寄生調幅小于±0.8 dB。此款移相器測試結果雖然相比于同類型移相器設計在插入損耗這一性能上有了一定的犧牲，但是在移相精度上有了明顯的提高，實現(xiàn)了高精度的性能。