周宏健，蔣樂，李光超，周睿濤

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214000）

自上世紀(jì)六十年代誕生以來，單片微波集成電路（MMIC）的研究浪潮就未曾停歇。從相控陣?yán)走_(dá)、衛(wèi)星通信到汽車?yán)走_(dá)、移動通信，MMIC 技術(shù)憑借體積小、質(zhì)量輕、寄生參數(shù)小、可控性好等優(yōu)點活躍在各個領(lǐng)域。數(shù)控移相器作為微波相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中收發(fā)（T/R）組件的核心元件之一，在相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，使用量可達(dá)幾百只甚至上千只，它的體積、性能、可靠性、成本以及研制設(shè)計制造能力將直接關(guān)系著系統(tǒng)設(shè)計的成敗，因此關(guān)于數(shù)控移相器的研究具有重要意義[1-2]。隨著GaAs MMIC 技術(shù)的快速發(fā)展，使得更寬帶寬、更小尺寸、更高精度的微波單片數(shù)控移相器得以實現(xiàn)。

在寬帶數(shù)控移相器設(shè)計中，常用的電路結(jié)構(gòu)有反射型移相器和高低通濾波器型移相器[3]。反射型移相器雖然精度較高但芯片面積較大，不利于降低單片數(shù)控移相器的成本。高低通濾波器型移相器結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計簡單，但寬帶的移相精度相對較低。為了實現(xiàn)更寬帶寬內(nèi)的高精度移相性能，可以采用全通濾波器型移相器結(jié)構(gòu)。全通網(wǎng)絡(luò)可以在高頻實現(xiàn)約4～5 個倍頻程帶寬內(nèi)某一角度的相移，同時電路面積要小于反射型移相結(jié)構(gòu)。

基于0.25 μm GaAs PHEMT 工藝設(shè)計了一款高精度寬帶單片六位數(shù)控移相器芯片，設(shè)計過程中綜合采用橋T 型移相結(jié)構(gòu)、高低通濾波器和全通濾波器移相結(jié)構(gòu)，通過對全通濾波器型移相器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，進(jìn)一步縮小了移相器面積，同時還保持了很高的移相精度。最終流片測試結(jié)果表明，設(shè)計的數(shù)控移相器在10～18 GHz 頻段內(nèi)綜合性能優(yōu)良，芯片面積和移相精度均優(yōu)于業(yè)內(nèi)同類芯片。

1 單片數(shù)控移相器的原理

移相器是用來改變射頻信號相位的器件，輸入信號經(jīng)過移相器，輸出信號會產(chǎn)生一定的相位偏移量。移相器輸出信號的相位偏移量可以是連續(xù)變化或者離散變化的，如果相位偏移量是連續(xù)的，則稱這種移相器為模擬移相器；反之如果相位偏移量是按照預(yù)設(shè)的離散值變化，則稱之為數(shù)控移相器。與模擬移相器相比，在保證良好的移相精度和端口回波損耗的前提下，數(shù)控移相器可以達(dá)到更寬的移相帶寬。更重要的是，數(shù)控移相器在工作時不易受到控制信號中的噪聲影響。

數(shù)控移相器通常由若干移相單元級聯(lián)形成，每個移相單元包含參考態(tài)和移相態(tài)電路，輸入信號經(jīng)過移相單元的移相態(tài)或參考態(tài)電路，輸出信號之間的相位差就是這個移相單元的移相量。文中所設(shè)計的六位數(shù)控移相器，主態(tài)移相單元的相位偏移量為5.625°、11.25°、22.5°、45°、90°和180°。使用該移相器時，通過改變外加的直流偏置電壓可以控制六個主態(tài)移相單元是否產(chǎn)生相位偏移量，進(jìn)而就可以實現(xiàn)0～354.375°范圍內(nèi)共64 種移相態(tài)，步進(jìn)為5.625°。

2 單片數(shù)控移相器的設(shè)計

2.1 5.625°、11.25°、22.5°移相單元設(shè)計

圖1 移相單元電路拓?fù)?/p>

寄生調(diào)幅ΔL的計算公式為：

式中，ILps是電路處于移相態(tài)（PHEMT1 和PHEMT2 關(guān)斷，PHEMT3 導(dǎo)通）的插入損耗，ILref是電路處于參考態(tài)（PHEMT1 和PHEMT2 導(dǎo)通，PHEMT3關(guān)斷）的插入損耗。

2.2 45°移相單元設(shè)計

對于相位偏移量45°的移相單元，橋T 型移相網(wǎng)絡(luò)很難獲得較好的移相精度，因此采用開關(guān)選擇全通濾波器型移相網(wǎng)絡(luò)，如圖2 所示。

圖2 開關(guān)選擇全通濾波器型移相網(wǎng)絡(luò)

全通濾波器的插入相位為180°時的工作頻率稱為轉(zhuǎn)換頻率，合理選擇全通濾波器的LC元件值可以得到不同的轉(zhuǎn)換頻率，利用兩個不同轉(zhuǎn)換頻率的全通濾波器可以產(chǎn)生所需的相位差，這就是開關(guān)選擇全通濾波器型移相網(wǎng)絡(luò)的工作原理。圖2 中的一對全通濾波器的元件初值由式（2）-（5）確定：

式中，ωm為移相器工作頻段的中心頻率，變量p取值1.104[8]。

選定合適的開關(guān)管尺寸后，使用仿真軟件對電路進(jìn)行優(yōu)化。為了保證足夠的移相精度，一級全通濾波器移相網(wǎng)絡(luò)的移相帶寬是有限的，需要級聯(lián)兩個全通濾波器來拓展移相帶寬，但是電路面積也會變大。因此在優(yōu)化過程中對兩級全通濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了改進(jìn)，如圖3 所示。對于參考態(tài)電路，在全通濾波器兩端增加了補償電容Ca3，可以改善低頻附近的移相精度。對于移相態(tài)電路，省去串聯(lián)電容簡化成低通濾波器結(jié)構(gòu)，使電路尺寸得到壓縮；同時在低通濾波器兩端增加對稱的并聯(lián)電容，展寬低通濾波網(wǎng)絡(luò)的移相帶寬。最終優(yōu)化得到的45°移相單元電路與級聯(lián)全通濾波器型移相電路相比，不僅保證了較高的移相精度，而且結(jié)構(gòu)更簡單，面積更小。

圖3 45°移相單元電路拓?fù)?/p>

2.3 90°、180°移相單元設(shè)計

90°和180°移相單元需要達(dá)到較大的相位偏移量，因此在45°移相單元電路的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加了階數(shù)，仿真顯示約需級聯(lián)三個全通濾波器才能達(dá)到較高的移相精度。通過反復(fù)優(yōu)化，選定了如圖4 所示的電路結(jié)構(gòu)。對于參考態(tài)電路，采用兩級全通濾波器級聯(lián)，中間添加T 型高通濾波器。對于移相態(tài)電路，采用七階低通濾波器，以實現(xiàn)足夠的帶寬和良好的移相平坦度。這種移相結(jié)構(gòu)與三級全通濾波器級聯(lián)結(jié)構(gòu)相比，減少六個電感電容元件，且結(jié)構(gòu)簡化更便于布版，電路面積可以得到有效縮減。

圖4 90°、180°移相單元電路拓?fù)?/p>

2.4 移相單元級聯(lián)設(shè)計

六位主態(tài)移相單元設(shè)計完成后，需要按照合理的順序進(jìn)行級聯(lián)，為了使級聯(lián)之后的布局緊湊、性能良好，選擇將端口駐波較好的大位移相單元180°和90°分別置于輸入和輸出端，將電路結(jié)構(gòu)簡單、元件數(shù)少的三個小位移相單元5.625°、11.25°和22.5°互聯(lián)便于壓縮整體電路尺寸，互聯(lián)時兼顧相鄰端口的阻抗匹配。經(jīng)過多次調(diào)整優(yōu)化，最終確定六位主態(tài)移相單元的級聯(lián)順序如圖5 所示。

圖5 六位數(shù)控移相器級聯(lián)原理圖

文中設(shè)計的10～18 GHz 六位數(shù)控移相器集成了并行驅(qū)動器電路，驅(qū)動器采用直接耦合場效應(yīng)晶體管邏輯電路（DCFL）搭建而成，其優(yōu)點是電路簡單且速度快[10]。更關(guān)鍵的是，選擇與數(shù)控移相器相同的GaAs 工藝進(jìn)行并行驅(qū)動器的設(shè)計，可以實現(xiàn)數(shù)字電路與微波電路集成在一顆單片移相器芯片上，不僅便于外部電路的使用，而且有利于提高整個系統(tǒng)的集成度。如圖5 所示，直流偏置電壓經(jīng)過DCFL 式驅(qū)動器輸出一對控制電平，選通移相單元的參考態(tài)或移相態(tài)電路，因此只需要切換六位直流偏置電壓V1-V6即可控制數(shù)控移相器產(chǎn)生64 種不同的相位偏移量，而原本的六位數(shù)控移相器需要12 個控制端才能工作。由此可見，集成并行驅(qū)動器的數(shù)控移相器更加實用高效。

3 單片數(shù)控移相器的實現(xiàn)

10～18 GHz 單片數(shù)控移相器采用0.25 μm GaAs PHEMT 工藝流片制造，最終得到的移相器芯片的實物面積為2.7 mm×1.4 mm。

使用微波探針臺、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和直流電源對單片數(shù)控移相器進(jìn)行在片測試，主要電性能的測試曲線如圖6 所示。

圖6 數(shù)控移相器芯片測試結(jié)果

4 性能分析

文中所設(shè)計的10～18 GHz 數(shù)控移相器與國內(nèi)外同頻段移相器的性能對比如表1 所示。

表1 單片數(shù)控移相器對比表

對比可見，該文設(shè)計的數(shù)控移相器犧牲約2 dB插入損耗，在10～18 GHz 的寬頻帶內(nèi)獲得了很高的移相精度，而且芯片面積較小，同時還在芯片內(nèi)部集成了并行驅(qū)動器，便于使用。

5 結(jié)論

文中介紹了一款采用0.25 μm GaAs PHEMT 工藝制造的高精度六位數(shù)控移相器芯片[17-19]，芯片面積為2.7 mm× 1.4 mm。該移相器電路改進(jìn)了全通濾波移相結(jié)構(gòu)，采用全通-高通-低通混合移相結(jié)構(gòu)，在保持高移相精度的同時縮小了芯片面積。測試結(jié)果表明，移相器在10～18 GHz 工作頻段內(nèi)，移相精度達(dá)到2°，插入損耗12 dB，寄生調(diào)幅小于±0.5 dB，輸入輸出端口駐波小于1.5，綜合性能優(yōu)越，可應(yīng)用于寬帶相控陣系統(tǒng)中。