K波段幅相控制多功能MMIC的設(shè)計與實現(xiàn)

張超+陳月盈

摘 要：基于GaAs 襯底增強/耗盡型贗（E/D） 工藝設(shè)計了K波段幅相控制多功能MMIC。該芯片對接收增益波動大采取了2bit微調(diào)數(shù)控衰減器的改善措施，同時內(nèi)部集成放大器，數(shù)控衰減器，數(shù)控移相器等常用功能。測試結(jié)果表明：接收支路增益≥3dB，輸出1dB壓縮點≥1dBm； 發(fā)射支路增益≥5dB，輸出1dB壓縮點≥4dBm；移相RMS≤5°，衰減RMS≤0.6dB。

關(guān)鍵詞：增強/耗盡型pHEMT；幅相控制多功能；數(shù)控移相器；單刀雙擲開關(guān)；數(shù)控衰減器

中圖分類號：TN43 文獻標識碼：A

0.引言

近幾年多功能MMIC得到了較為廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)點在于集成度高，可使接收或發(fā)射組件的可靠性和生產(chǎn)效率顯著提高。然而整機對功率、頻率及性能的不斷追求，對于多功能MMIC也面臨不小的挑戰(zhàn)。

本文基于GaAs E/D工藝設(shè)計并實現(xiàn)了K波段幅相控制多功能MMIC。該芯片對接收增益波動大采取了2bit微調(diào)數(shù)控衰減器的改善措施，實現(xiàn)了接收支路增益≥3dB，輸出1dB壓縮點≥1dBm； 發(fā)射支路增益≥5dB，輸出1dB壓縮點≥4dBm；移相RMS≤5°，衰減RMS≤0.6dB。

1.多功能MMIC的設(shè)計

多功能MMIC的設(shè)計包含：整體拓撲設(shè)計、開關(guān)設(shè)計、數(shù)控移相器設(shè)計、數(shù)控衰減器設(shè)計和放大器設(shè)計5個主要部分，然后通過仿真，版圖布局最終完成多功能MMIC的設(shè)計。

1.1 多功能MMIC的拓撲

該芯片采用拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，集成了3個放大器、6位數(shù)控移相器、6位數(shù)控衰減器、2位接收微調(diào)數(shù)控衰減器、4個單刀雙擲開關(guān)組合、16位并口驅(qū)動器。該電路特點：集成度高，隔離度高，功耗低。

1.2 開關(guān)的設(shè)計

開關(guān)在多功能MMIC中起到信號選擇導(dǎo)通的作用，用來控制信號的接收或發(fā)射鏈路，開關(guān)的插入損耗、速度及隔離度等指標的好壞直接影響多功能MMIC的指標。

開關(guān)的等效電路模型如圖2所示。其原理如下：通過調(diào)整Vgs的電壓來控制Rds、Cds的大小達到開關(guān)的開態(tài)或者關(guān)態(tài)。

目前流行的開關(guān)拓撲為串并聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖3所示，其特點：結(jié)構(gòu)簡單、小型化、指標優(yōu)秀。該芯片采用了串并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

通過調(diào)整V1、V2的電壓實現(xiàn)對收發(fā)通道的選擇。

1.3 數(shù)控移相器的設(shè)計

移相器在多功能MMIC中起到調(diào)相作用，用來控制雷達的方向角，移相器的調(diào)相精度直接影響多功能MMIC的指標。

其原理如下：通過控制開關(guān)，改變移相位為參考態(tài)或移相態(tài)，達到調(diào)相的目的。

目前比較常用的拓撲結(jié)構(gòu)有加載線式、開關(guān)線式和高低通濾波器式。最為廣泛的是高低通濾波器式移相器，其特點集成度高，小型化，可做寬帶應(yīng)用。本文的數(shù)控移相器為六位，最小步進5.625°，并由6個基本態(tài)組成（5.625°、11.25°、22.5°、45°、90°、180°），基本態(tài)移相電路結(jié)構(gòu)有如下幾種：

5.625°移相位采用圖4的并聯(lián)型結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，損耗小。11.25°和22.5°采用圖5的單T型結(jié)構(gòu)。 45°、90°和180°采用圖6的高低通型結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點可大幅度減小芯片面積。同時該結(jié)構(gòu)適用于大移相位，相移和插損在帶寬內(nèi)波動幅度較小。

1.4 數(shù)控衰減器的設(shè)計

數(shù)字衰減器常用的拓撲結(jié)構(gòu)有簡T型和π型，如圖7、圖8所示。單態(tài)衰減設(shè)計應(yīng)盡量選擇損耗小、精度高、小型化的結(jié)構(gòu)。本設(shè)計中0.5dB和1dB采用簡T電路結(jié)構(gòu)，2dB、4dB、8dB采用π型電路結(jié)構(gòu)，16dB采用兩個8dB結(jié)構(gòu)串聯(lián)實現(xiàn)。數(shù)字衰減器的拓撲如圖9所示。

1.5 放大器設(shè)計

放大器在多功能MMIC中用于電路插入損耗的補償，同時具備一定的輸出功率，用來驅(qū)動發(fā)射通道后面的功率放大器。

在多功能MMIC中采用了寬帶反饋式單片放大器，電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖10所示。電路采用自偏壓結(jié)構(gòu)，電源電壓+5V。基于GaAs大信號模型進行了電路匹配。在設(shè)計中重點關(guān)注了功率管源極的對地電容，其寄生效應(yīng)會引起源極負反饋，通過電磁場仿真消除了此影響，并成功地應(yīng)用在多功能MMIC中。

2.多功能MMIC的版圖設(shè)計

幅相控制多功能MMIC，采用軟件完成電路的仿真和整體版圖。設(shè)計數(shù)字移相器和數(shù)字衰減器的版圖中，重點考慮輸入輸出匹配，減小插損；對于駐波敏感的衰減態(tài)及移相態(tài)盡量周圍用地孔屏蔽，并放置于芯片中部位置。

先生成單功能版圖，包括開關(guān)、衰減器、移相器和放大器，然后在拼版到一起組成多功能版圖，利用電磁場仿真優(yōu)化功能，改進多功能版圖布局，重點考慮減小各功能電路間的耦合、串?dāng)_、兼容等影響，同時改良布局達到縮小芯片尺寸的目的。

最后生成偏置版圖，主要為饋電、串并轉(zhuǎn)換等電路，饋電電路主要做好濾波功能，盡可能進行濾波組合，控制電壓重點做好過壓過流保護電路和防靜電保護電路，提高數(shù)字電路的可靠性。

3.工藝實現(xiàn)與測試

本文基于GaAs E/D工藝實現(xiàn)了幅相控制多功能MMIC。該工藝可實現(xiàn)微波電路和數(shù)字驅(qū)動電路一體化設(shè)計。流片完成的多功能MMIC照片如圖11所示，芯片最終尺寸為3.5mm×4.8mm。該芯片有收發(fā)公共端口（芯片左側(cè)）、發(fā)射輸出端口（芯片上側(cè)）、接收輸入端口（芯片下側(cè)），饋電及數(shù)控端口（芯片右側(cè)）。

通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和微波探針系統(tǒng)對多功能MMIC進行了圓片測試，主要電性能測試結(jié)果如圖12～圖15所示。加電+5V下靜態(tài)電流48mA，加電-5V下靜態(tài)電流13mA。

圖12為多功能MMIC在接收/發(fā)射狀態(tài)下的信號增益，在整個工作頻帶內(nèi)發(fā)射增益大于5 dB，接收增益大于3 dB；接收/發(fā)射增益呈現(xiàn)正斜率2 dB。

圖13為多功能MMIC在接收/發(fā)射狀態(tài)下的信號輸出P-1dB，在整個工作頻帶內(nèi)發(fā)射輸出P-1dB大于4 dBm，接收輸出P-1dB大于1 dBm。

圖14和圖15為多功能MMIC在接收/發(fā)射狀態(tài)下的移相64態(tài)RMS和衰減64態(tài)RMS，在整個工作頻帶內(nèi)移相64態(tài)RMS最大5°，衰減64態(tài)RMS最大0.6dB。

結(jié)論

本文基于GaAs E/D工藝設(shè)計并實現(xiàn)了K波段幅相控制多功能MMIC。該芯片內(nèi)部集成單刀雙擲開關(guān)、6位數(shù)控移相器、6位數(shù)控衰減器、2位接收微調(diào)數(shù)控衰減器、放大器和16位幅相控制并口驅(qū)動。該芯片收發(fā)狀態(tài)下移相64態(tài)RMS≤5°，衰減64態(tài)RMS≤0.6dB，尺寸為3.5mm×4.8mm。該芯片可用于微波收發(fā)組件，實現(xiàn)對接收和發(fā)射信號的幅相控制。

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