張旺 南京恒電電子有限公司

應(yīng)用于相控陣收發(fā)組件的射頻微波集成電路設(shè)計(jì)探討

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微波單片集成電路作為電子技術(shù)的重要組成部分，在各種電子設(shè)備當(dāng)中發(fā)揮著重要作用，因此，微波單片集成電路已被廣泛應(yīng)用于各種高技術(shù)裝備當(dāng)中。本文首先介紹了射頻微波集成電路應(yīng)用于相控陣收發(fā)組件的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)，以GaN工藝為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)射頻微波基礎(chǔ)電路，最終達(dá)到了微波控制器件通過(guò)數(shù)字電平直接控制的效果。

射頻微波集成電路 相控陣收發(fā)組件 GaN工藝 應(yīng)用設(shè)計(jì)

微波單片集成電路擁有許多優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)其應(yīng)用于電子設(shè)備時(shí)可以有效降低設(shè)備的重量、體積，而且還可有效提高電子設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。因此，微波集成電路在諸如戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、電子戰(zhàn)系統(tǒng)以及通信設(shè)備等各種高技術(shù)軍事設(shè)備中被廣泛應(yīng)用[1]。

1 射頻微波集成電路在相控陣收發(fā)組件中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1.1 收發(fā)效率高，射頻損耗低

由于微波集成電路原本自帶的收發(fā)組件可以直接與天線連接，因此雷達(dá)信號(hào)的收發(fā)頻率損耗可以被有效降低。通常其射頻損耗與無(wú)源相控相比要降低6dB—10dB，因此也就相當(dāng)于靈敏度增加了6dB—10dB，所以雷達(dá)最大探測(cè)距離擴(kuò)大了近65%—75%。

1.2 提高雷達(dá)分辨率，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)小型化

通常有源相控陣?yán)走_(dá)的信號(hào)帶寬可以達(dá)到載波信號(hào)帶寬的1/5，但是無(wú)源相控陣?yán)走_(dá)信號(hào)帶寬最大值同比僅為1/10。因此，有源相控陣?yán)走_(dá)的頻率相比無(wú)源而言更高。信號(hào)帶寬的提高使得雷達(dá)的抗干擾能力得到增強(qiáng)。相控陣?yán)走_(dá)中采用微波集成電路，其體積和重量被顯著降低，成本也隨之得到控制[2]。

1.3 可靠性增強(qiáng)

在有源相控陣?yán)走_(dá)當(dāng)中，應(yīng)用了大量T/R組件，當(dāng)有10%的T/R組件出現(xiàn)故障時(shí)，雷達(dá)探測(cè)距離不會(huì)受到明顯影響。當(dāng)有5%的T/R組件出現(xiàn)故障時(shí)，副瓣電平變差不顯著。因此，有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的可靠性更強(qiáng)。

2 微波集成電路設(shè)計(jì)中GaN工藝的應(yīng)用

2.1 設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

目前，在軍事和通信領(lǐng)域中射頻微波單片集成電路發(fā)揮著巨大作用，已經(jīng)成為相關(guān)領(lǐng)域不可或缺的重要組成部分。在軍事領(lǐng)域中，化合物半導(dǎo)體的應(yīng)用占據(jù)著主導(dǎo)地位。而GaN則是一種非常具有應(yīng)用潛力半導(dǎo)體材質(zhì)。以GaN為基礎(chǔ)的信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)的擊穿電壓大、工作電壓高、收發(fā)容量功率高，并且不需要配置限幅器，從而使得系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化，性能和可靠性得到提升。

2.2 電路設(shè)計(jì)

控制數(shù)字電路的信號(hào)有兩種輸出方式，即TTL電平和SPI轉(zhuǎn)換。高速控制裝置一般由TTL電平實(shí)現(xiàn)控制。以GaN和GaAs為基的半導(dǎo)體器件可實(shí)現(xiàn)以耗盡型晶體管作為開(kāi)關(guān)，通過(guò)對(duì)TTL電平電路的轉(zhuǎn)換可以使TTL電壓轉(zhuǎn)換為可控耗盡型，GaN基HEMT射頻開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟與閉合兩種互補(bǔ)的電路作為輸出的電壓。耗盡型器件可以滿足數(shù)字電路使用需求，但是需要通過(guò)增強(qiáng)型（E模）來(lái)實(shí)現(xiàn)電路的功能。常見(jiàn)的E模有n型增強(qiáng)型器件等，常用的結(jié)構(gòu)包括F等離子體處理增強(qiáng)型器件、刻蝕槽柵結(jié)構(gòu)、薄勢(shì)壘結(jié)構(gòu)以及pn結(jié)構(gòu)等。pn結(jié)構(gòu)器件的擊穿電壓相對(duì)較大，溝道與柵金屬較遠(yuǎn)，所以pn結(jié)構(gòu)器件的跨導(dǎo)和飽和電流均較小。因此F離子體注入式增強(qiáng)型器件被廣泛應(yīng)用。

GaN基增強(qiáng)型器件的發(fā)展促進(jìn)了增強(qiáng)和耗盡型器件的快速發(fā)展。Curtice2模型作為電路仿真模型的重要原型，其主要由肖特基二極管和增強(qiáng)/耗盡型HEMT兩種器件構(gòu)成，其電源電壓值為±5V，有反向器結(jié)構(gòu)和差分轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)的電平轉(zhuǎn)換電路。由于E/D模技術(shù)直接與差分結(jié)構(gòu)的性能相聯(lián)系，并且實(shí)驗(yàn)室中GaN的技術(shù)需要進(jìn)一步優(yōu)化，因此，反相器結(jié)構(gòu)的邏輯性更能滿足要求。圖1顯示了電平轉(zhuǎn)換電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 電平轉(zhuǎn)換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

低電平狀態(tài)時(shí)，輸入端VIN的電壓小于0．4V，則無(wú)法滿足增強(qiáng)型晶體管導(dǎo)通閾值所需要的電壓，T2斷開(kāi)，溝道電阻持續(xù)升高。耗盡型晶體管T1與二極管直接相連，因此二極管的狀態(tài)始終是絕對(duì)導(dǎo)通，晶體管T2則是占用了大部分的壓降，由于VDD與T3的柵極電壓較為接近，因此T3同T2一樣處于導(dǎo)通狀態(tài)。利用4個(gè)肖特基二極管降低電壓，則V0UT1電壓輸出值為0V，此時(shí)，晶體管T6完全導(dǎo)通，將T5輸出電壓調(diào)整至0V，使得晶體管T6的溝道電阻低于T5，晶體管T7和T8溝道電阻較小，降低T7輸出電壓，則V0UT2輸出的電壓維持在-4V附近。高電平時(shí)，輸入端VIN電壓大于2．7V，T2完全導(dǎo)通，溝道電阻很大。當(dāng)T3關(guān)閉，柵極電壓近似為0，T4與4個(gè)肖特基二極管并聯(lián)，電壓較低，通過(guò)調(diào)整T4的尺寸，保證V0UT1的輸出電壓穩(wěn)定在-4V左右，晶體管T8處于關(guān)閉狀態(tài)，T7導(dǎo)通，利用二極管降低電源VDD電壓至0V，電平的轉(zhuǎn)換得以實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)將肖特基二極管與反相器的串聯(lián)構(gòu)建的電平轉(zhuǎn)換電路，利用柵層金屬將肖特基二極管連接，使得整個(gè)工藝得到極大簡(jiǎn)化，提升了系統(tǒng)整體性能，因此，射頻微波集成電路應(yīng)用前景廣闊。

[1]李明.雷達(dá)射頻集成電路的發(fā)展及應(yīng)用[J].現(xiàn)代雷達(dá),2012,34(9):8-15.

[2]李士鵬,黃善國(guó),張杰,等.智能光網(wǎng)絡(luò)的分布式和動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)管理[J].光通信技術(shù),2010,34(7):1-3.

張旺，1984.07，男，漢，江蘇鹽城阜寧，本科，助理工程師，目前從事微波射頻電路方面的研究。