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Ku波段微波单片集成电路6位数字衰减器设计

周守利 张景乐 吴建敏 周赡成 程元飞

引用本文:
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Ku波段微波单片集成电路6位数字衰减器设计

    作者简介: 周守利(1972-),男,副教授,主要从事复杂航空系统电子信息技术研究;zhoushl@zjut.edu.cn.
    通讯作者: 程元飞, 405744092@qq.com
  • 基金项目: 江西省教育厅科技计划项目(GJJ180875);中国博士后科学基金项目(2013M540147)
  • 中图分类号: TN432

Design of Ku-band 6 bit digital attenuator of microwave monolithic integrated circuit

    Corresponding author: Cheng Yuanfei, 405744092@qq.com
  • CLC number: TN432

  • 摘要: 基于GaAs 0.25 μm增强/耗尽型(E/D)赝配高电子迁移率晶体管(pHEMT)工艺,研制了一款Ku波段6位数字衰减器微波单片集成电路(MMIC)。该6位数字衰减器由6个基本衰减位级联组成,可实现最大衰减量为31.5 dB、步进为0.5 dB的衰减量控制。采用简化的T型衰减结构,实现了0.5 dB和1 dB的衰减位。16 dB衰减位采用开关型衰减拓扑,在提高衰减平坦度的同时,有效降低其附加相移。测试结果表明,在12~18 GHz的频率内,数字衰减器衰减64态均方根误差(RMS)小于0.25 dB,附加相移为−0.5°~+9.5°,插入损耗小于4.9 dB,输入输出驻波比均小于1.5∶1。芯片尺寸为3.00 mm×0.75 mm。该芯片电路具有宽频带、高衰减精度、小尺寸的特点,主要用于微波相控阵收发组件、无线通讯等领域。
  • 图 1  开关电路及等效电路模型示意图

    Fig. 1  Schematic and equivalent model of switching circuit

    图 2  数字衰减器的电路拓扑

    Fig. 2  Circuit topology of digital attenuator

    图 3  电阻衰减网络拓扑

    Fig. 3  Resistance attenuation network topology

    图 4  数字衰减器芯片照片

    Fig. 4  The photograph of digital attenuator chip

    图 5  衰减64态输入驻波比测试结果

    Fig. 5  Measured input VSWR of all 64 states

    图 6  衰减64态输出驻波比测试结果

    Fig. 6  Measured output VSWR of all 64 states

    图 7  基态插入损耗测试结果

    Fig. 7  Measured insertion loss of reference state

    图 8  衰减64态相对衰减量测试结果

    Fig. 8  Measured relative attenuation of all 64 states

    图 9  衰减64态均方根误差测试结果

    Fig. 9  Measured RMS error of attenuation of all 64 states

    图 10  衰减64态附加相移测试结果

    Fig. 10  Measured phase variation of all 64 states

  • [1] Robertson I D, Lucyszyn S. RFIC and MMIC design and technology[M]. London: Institution of Electrical Engineers, 2001: 1-5.
    [2] Chang K, Bahl I J, Nair V. RF and microwave circuit and component design for wireless system[M]. New York: John Wiley & Sons Inc, 2002: 1-6.
    [3] 张光义. 相控阵雷达系统[M]. 北京: 国防工业出版社, 1994: 13-15.

    Zhang Guangyi. Phased array radar system. Beijing: National Defense Industry Press, 1994: 13-15
    [4] 李静. T/R模块的发展现状及趋势[J]. 半导体情报, 1994, 36(4):22-28. (Li Jing. Development and trend of T/R module. Semiconductor Information, 1994, 36(4): 22-28
    [5] Davulcu M, Caliskan C, Kalyoncu I, et al. 7-bit SiGe-BiCMOS step attenuator for X-band phased-array RADAR applications[J]. IEEE Microwave and Wireless Components, 2016, 26(8): 598-600. doi: 10.1109/LMWC.2016.2585565
    [6] Barov A A, Kondratenko A V. GaAs MMIC digital phase shifter and attenuator for space-based APAR[C]//22nd International Crimean Conference Microwave & Telecommunication Technology. 2012: 91-92.
    [7] Ku B H, Hong S C. 6-bit CMOS digital attenuator with low phase variations for X-band phased-array systems[J]. IEEE Trans Microwave Theory and Techniques, 2010, 58(7): 1651-1663. doi: 10.1109/TMTT.2010.2049691
    [8] Zhao Jing, Zhang Bo, Yang Xiaofeng. A 25-30 GHz 6-bit digital attenuator with high accuracy and low insertion loss[C]//IEEE MTT-S International Wireless Symposium(IWS). 2016: 1-3.
    [9] 张滨, 李富强, 杨柳, 等. 带数字驱动的Ku波段6 bit 数控衰减器设计[J]. 半导体集成电路, 2016(7):499-503. (Zhang Bin, Li Fuqiang, Yang Liu, et al. Design of Ku-band 6 bit digital attenuator with digital driver. Semiconductor Integrated Circuits, 2016(7): 499-503
    [10] Shin D H, Jeong J C, Moon S M, et al. Compact Ku-band GaAs multifunction chip for SATCOM[C]//Phased Arrays. Radar Conference. 2015: 449-452.
    [11] 戴永胜, 李平, 孙宏途, 等. 高性能2~18 GHz超宽带MMIC 6位数字衰减器[J]. 微波学报, 2012, 28(6):80-83. (Dai Yongsheng, Li Ping, Sun Hongtu, et al. High performance 2-18 GHz UWB MMIC 6 bit digital attenuator. Journal of Microwaves, 2012, 28(6): 80-83
    [12] 谢媛媛, 陈凤霞, 高学邦. 一种超小型DC~18 GHz MMIC 6 bit 数字衰减器[J]. 半导体集成电路, 2016(8):580-585. (Xie Yuanyuan, Chen Fengxia, Gao Xuebang. A microminiature DC~18 GHz MMIC 6 bit attenuator. Semiconductor Integrated Circuits, 2016(8): 580-585
    [13] 黎明, 张海英, 徐静波, 等. GaAs基E/D PHEMT技术单片集成微波开关及其逻辑控制电路[J]. 半导体学报, 2008, 29(9):1823-1826. (Li Ming, Zhang Haiying, Xu Jingbo, et al. Monolithic integrated switches and logic control circuits with E/D mode GaAs PHEMTs. Journal of Semiconductors, 2008, 29(9): 1823-1826 doi: 10.3321/j.issn:0253-4177.2008.09.036
    [14] 王康睿. 0~4 GHz MMIC集成串并转换数控衰减器芯片研制[D]. 杭州: 浙江大学, 2018: 19-22.

    Wang Kangrui. Design of a 0-4 GHz MMIC digital step attenuator integrated with serial-to-parallel converter. Hangzhou: Zhejiang University, 2018: 19-22
    [15] 刘云刚, 陈依军, 全金海. 超低附加相移0.5 GHz~18 GHz六位数控衰减器芯片设计[J]. 电子信息对抗技术, 2013, 28(2): 72-76.

    Liu Yungang, Chen Yijun, Quan Jinhai. Design of 0.5 GHz-18 GHz MMIC 6-bit digital attenuator with a small phase variation. Electronic Warfare Technology, 2013, 28(2):72-76
  • [1] 令钧溥, 贺军涛, 张建德, 江涛, 邱永峰. Ku波段同轴渡越辐射振荡器的数值模拟[J]. 强激光与粒子束, 2014, 26(06): 26063031. doi: 10.11884/HPLPB201426.063031
    [2] 徐庆君, 庄申栋. 基于Mie散射理论对砷化镓光子晶体安德森定域化研究[J]. 强激光与粒子束, 2011, 23(10).
    [3] 刘庆, 张健穹, 刘庆想, 李相强. Ku波段28单元径向线阵列天线馈电系统设计[J]. 强激光与粒子束, 2016, 28(03): 28033030. doi: 10.11884/HPLPB201628.033030
    [4] 袁建强, 刘宏伟, 刘金锋, 李洪涛, 谢卫平, 王新新, 江伟华. 不同形状的光斑触发砷化镓光导开关[J]. 强激光与粒子束, 2010, 22(03).
    [5] 贡顶, 韩峰, 王建国. 基于流体动力学模型的2维砷化镓金属半导体场效应管数值模拟[J]. 强激光与粒子束, 2006, 18(07).
    [6] 赵越, 谢卫平, 李洪涛, 刘金锋, 刘宏伟, 赵士操, 袁建强. 影响高功率光导开关临界频率热因素的数值分析[J]. 强激光与粒子束, 2010, 22(11).
    [7] 刘宏伟, 袁建强, 刘金锋, 李洪涛, 谢卫平, 江伟华. 外电路参数对GaAs光导开关导通过程的影响[J]. 强激光与粒子束, 2010, 22(02).
    [8] 姚若妍, 唐涛, 赵国庆, 黄民智, 宫玉彬. 螺旋线行波管慢波结构设计及注波互作用模拟[J]. 强激光与粒子束, 2014, 26(06): 26063030. doi: 10.11884/HPLPB201426.063030
    [9] 袁建强, 刘宏伟, 刘金锋, 李洪涛, 谢卫平, 王新新, 江伟华. 50 kV半绝缘GaAs光导开关[J]. 强激光与粒子束, 2009, 21(05).
    [10] 袁建强, 谢卫平, 周良骥, 陈林, 王新新. 光导开关研究进展及其在脉冲功率技术中的应用[J]. 强激光与粒子束, 2008, 20(01).
    [11] 袁建强, 李洪涛, 刘宏伟, 刘金锋, 谢卫平, 王新新, 江伟华. 大功率光导开关研究[J]. 强激光与粒子束, 2010, 22(04).
    [12] 刘宏伟, 袁建强, 刘金锋, 李洪涛, 谢卫平, 江伟华. 大功率GaAs光导开关寿命实验研究[J]. 强激光与粒子束, 2010, 22(04).
    [13] 刘宏伟, 袁建强, 刘金锋, 赵越, 李洪涛, 谢卫平. 体结构GaAs光导开关实验研究[J]. 强激光与粒子束, 2011, 23(11).
    [14] 孙艳玲, 刘小龙, 刘欢, 石顺祥. 光导开关非线性导通时的载流子累加效应[J]. 强激光与粒子束, 2014, 26(07): 26075002. doi: 10.11884/HPLPB201426.075002
    [15] . 光脉冲对光导开关非线性导通性能的影响[J]. 强激光与粒子束, 2014, 26(08): 26085003. doi: 10.11884/HPLPB201426.085003
    [16] 方进勇, 张治强, 黄文华, 江伟华. 常用微波衰减器脉冲功率容量测试[J]. 强激光与粒子束, 2010, 22(11).
    [17] 刘娟秀, 羊恺, 刘霖, 补世荣, 段杏娜, 罗正祥, 叶玉堂. 新型高性能光控高温超导微波可变衰减器研制[J]. 强激光与粒子束, 2007, 19(02).
    [18] 吴岱, 肖德鑫, 李凯, 潘清, 杨仁俊, 张海旸, 王建新, 刘宇, 柏伟, 林司芬, 王汉斌, 杨兴繁, 黎明, 许州. 砷化镓光阴极直流高压注入器研究进展[J]. 强激光与粒子束, 2015, 27(04): 27045101. doi: 10.11884/HPLPB201527.045101
    [19] 谭吉春, 杜少军, 刘少波. 纳秒级脉宽砷化镓激光器陈列[J]. 强激光与粒子束, 1996, 08(04).
    [20] 张寒峭, 黄卡玛. 高功率电磁脉冲对砷化镓金属半导体场效应管的影响[J]. 强激光与粒子束, 2006, 18(11).
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-02-22
  • 录用日期:  2019-10-08
  • 网络出版日期:  2019-11-28
  • 刊出日期:  2019-12-01

Ku波段微波单片集成电路6位数字衰减器设计

    通讯作者: 程元飞, 405744092@qq.com
    作者简介: 周守利(1972-),男,副教授,主要从事复杂航空系统电子信息技术研究;zhoushl@zjut.edu.cn
  • 1. 浙江工业大学 信息工程学院,杭州 310023
  • 2. 上饶师范学院,江西 上饶 334001

摘要: 基于GaAs 0.25 μm增强/耗尽型(E/D)赝配高电子迁移率晶体管(pHEMT)工艺,研制了一款Ku波段6位数字衰减器微波单片集成电路(MMIC)。该6位数字衰减器由6个基本衰减位级联组成,可实现最大衰减量为31.5 dB、步进为0.5 dB的衰减量控制。采用简化的T型衰减结构,实现了0.5 dB和1 dB的衰减位。16 dB衰减位采用开关型衰减拓扑,在提高衰减平坦度的同时,有效降低其附加相移。测试结果表明,在12~18 GHz的频率内,数字衰减器衰减64态均方根误差(RMS)小于0.25 dB,附加相移为−0.5°~+9.5°,插入损耗小于4.9 dB,输入输出驻波比均小于1.5∶1。芯片尺寸为3.00 mm×0.75 mm。该芯片电路具有宽频带、高衰减精度、小尺寸的特点,主要用于微波相控阵收发组件、无线通讯等领域。

English Abstract

  • 微波单片集成电路(MMIC)是用半导体工艺将有源元器件、无源元器件、分布网络元器件以及各种连接元器件集成在同一片半导体芯片上,实现单一或者复杂组件功能[1]。随着微波通讯技术的发展,MMIC以其小型紧凑、稳定性好、抗干扰能力强、批量生产成本低和产品性能一致性好等优点,在军事电子对抗以及民用通讯系统中得到广泛应用[2]

    数字衰减器主要应用于现代相控阵系统收发(T/R)组件中,起到增益控制、多通道之间信号的平衡等功能[3-4]。它和移相器构成的幅相控制电路是T/R组件的核心部分,实现对信号相位和幅度的改变[5-6]。数字衰减器的附加相移直接影响到幅相控制电路的移相精度,因此在要求数字衰减器在工作频带内满足衰减精度的同时,也要对附加相移提出更高的要求[7-9]

    近年来,国内外对数字衰减器的文献报道有很多。2015年,Dong-Hwan Shin等研制了一款Ku波段4位数字衰减器[10],其衰减均方根误差小于0.5 dB,附加相移为±5°。2012年,南京理工大学戴永胜等研制了一款2~18 GHz频段6位数字衰减器[11],其衰减均方根误差小于1 dB,附加相移为−1.53°~+6.28°。2016年,中国电子科技集团公司第十三研究所谢媛媛等研制了一款DC~18 GHz频段6位数字衰减器[12],其衰减均方根误差小于0.7 dB,附加相移为−28°~+4°。以上三款芯片开关控制器件都采用GaAs pHEMT器件。GaAs pHEMT器件比起PIN二极管和GaAs 金属半导体场效应晶体管(MESFET),导通插入损耗更小、速度更快、截止频率更高,因此已经成为研制数字衰减器的首选[13]

    基于GaAs 0.25 μm E/D pHEMT工艺,本文研制了一款Ku波段MMIC 6位数字衰减器。该数字衰减器采用GaAs pHEMT开关器件,通过6个基本衰减位级联组成,实现步进为0.5 dB,最大衰减量为31.5 dB的衰减量控制。测试结果表明,在工作频带12~18 GHz内,数字衰减器的输入驻波比小于1.35∶1,输出驻波比小于1.5∶1,插入损耗小于4.9 dB,衰减64态均方根误差小于0.25 dB,附加相移为−0.5°~+9.5°。

    • 本文设计的数字衰减器由pHEMT、微带线和电阻构成。pHEMT在电路中起到开关作用,电阻对传输信号起到衰减作用。pHEMT作为开关器件使用时,栅极作为控制端,源极和漏极作为射频输入和输出两端。其开关电路结构和其简化等效电路模型如图1所示,Rg为栅极串联电阻,起到隔离信号的作用。

      图  1  开关电路及等效电路模型示意图

      Figure 1.  Schematic and equivalent model of switching circuit

      通过控制pHEMT的栅极电压Vg来控制其源漏间的导通和截止状态。pHEMT开关管只工作在截止区和线性区两个状态,几乎没有直流功耗,属于无源器件,其偏置电路十分简单,适用于微波高集成度控制电路的应用。如图1开关模型进行分析,当Vg为0 V时,等效电阻R很小,等效电容C较大,pHEMT处于导通状态,其插入损耗的幅频特性十分平坦;当Vg为−5 V时,等效电阻R较大,等效电容C较小,pHEMT处于截止状态,其隔离度显示出了很强的频率相关性。pHEMT开关特性主要受其栅宽大小的影响,栅宽越大,导通时插入损耗越小,但截止时隔离度会变差[14]

    • 数字衰减器的电路拓扑如图2所示,6个基本衰减位都由独立的控制信号控制。根据基本衰减位的端口驻波特性,按照0.5,4 ,2,8 ,1 dB和16 dB的排列方式级联组成,实现步进为0.5 dB,最大衰减量为31.5 dB的衰减量控制。

      图  2  数字衰减器的电路拓扑

      Figure 2.  Circuit topology of digital attenuator

      0.5 dB和1 dB衰减位采用的是简化的T型衰减器结构,仅采用一个并联电阻进行衰减,开关选用两个小尺寸的管子串联而成。参考态时信号不衰减,SW2截止,由于SW2的截止电容足够小,对于射频信号相当于开路,增加了隔离度;开关SW2导通时,衰减器工作在衰减态,并联支路到地电阻对信号进行衰减。该结构适用于小衰减位,具有结构简单、插入损耗小等优点,且相比于传统的T型结构,版图实现面积更小,利于减小芯片尺寸。

      2 dB采用的是开关T型衰减器结构,当处于参考态时,开关SW1导通,等效为电阻Ron,开关SW2截止,等效为开路,衰减器可以近似为小电阻,信号的幅度与相位变化都不大;当处于衰减态时,开关SW1截止等效为开路,开关SW2导通,衰减器可等效为图3(a)中的T型电阻衰减网络,其电阻的大小可以通过式(1)和式(2)得出[15]

      图  3  电阻衰减网络拓扑

      Figure 3.  Resistance attenuation network topology

      $R_5 = 2{Z_0}\sqrt {{{10}^{\frac{{L_1}}{{10}}}}} \Bigg/\Bigg({10^{\frac{{L_1}}{{10}}}} - 1\Bigg)$

      (1)

      $R_4 = ({10^{\frac{{L_1}}{{10}}}} + 1){Z_0}\Bigg/\Bigg({10^{\frac{{L_1}}{{10}}}} - 1\Bigg) - R_5$

      (2)

      式中:Z0是特征阻抗,其数值为50 Ω;L1是所需要的衰减量,即2 dB。

      4 dB和8 dB采用开关π型衰减器结构,衰减态时等效为图3(b)中的π型电阻衰减网络,其电阻大小可以通过式(3)和式(4)得出[15]。该结构虽然插入损耗较大,但具有衰减量大,工作频带宽、端口驻波特性好等优点。

      ${R_2} = {\left\{ {\Bigg({{10}^{\frac{{{L_2}}}{{10}}}} + 1\Bigg)\Bigg/\left[ {\Bigg({{10}^{\frac{{{L_2}}}{{10}}}} - 1\Bigg){Z_0}} \right] - \dfrac{1}{{{R_3}}}} \right\}^{ - 1}}$

      (3)

      $R_3 = \Bigg({10^{\frac{{L_2}}{{10}}}} - 1\Bigg){Z_0}\Bigg/\Bigg(2\sqrt {{{10}^{\frac{{L_2}}{{10}}}}} \Bigg)$

      (4)

      式中:Z0是特征阻抗,其数值为50 Ω;L2是所需要的衰减量,即4 dB或8 dB。

      为减少开关管寄生电容对衰减特性的影响,16 dB衰减位采用开关型衰减器结构。通过两对单刀双掷开关(SPDT)将信号在参考态和衰减态两条路径之间切换。衰减态时该路径仍可等效为π型电阻衰减网络,参考态时该路径实际版图设计采用了一段微带线来抵消衰减时引入的附加相移。该结构虽然增加了两对单刀双掷开关的插入损耗,但在整个带宽内有很好的衰减平坦度,减小了对相位的调制,同时避免了采用两个8 dB衰减结构级联达到16 dB衰减量的方式而引起的驻波恶化。

    • 数字衰减器的芯片照片如图4所示,尺寸大小为3.00 mm×0.75 mm。采用微波探针台、开关矩阵和矢量网络分析仪对芯片进行在片测试,测试条件为:栅极偏置电压0/−5 V,输入功率Pin=−15 dBm。如图5图6分别所示,在12~18 GHz频带内,数字衰减器在衰减64态下的输入驻波比小于1.35∶1,输出驻波比小于1.5∶1。如图7所示,数字衰减器在基态的插入损耗小于4.9 dB。图8为数字衰减器衰减64态的相对衰减量,从中可以看出,其在整个频带内都具有较好的衰减平坦度。如图9所示,数字衰减器在衰减64态下的衰减均方根误差小于0.25 dB。在工作频段内,数字衰减器衰减64态的附加相移为−0.5°~9.5°,如图10所示。其中衰减均方根误差$AT{T_{{\rm{err}}}}_{({\rm{RMS}})}$

      图  4  数字衰减器芯片照片

      Figure 4.  The photograph of digital attenuator chip

      图  5  衰减64态输入驻波比测试结果

      Figure 5.  Measured input VSWR of all 64 states

      图  6  衰减64态输出驻波比测试结果

      Figure 6.  Measured output VSWR of all 64 states

      图  7  基态插入损耗测试结果

      Figure 7.  Measured insertion loss of reference state

      图  8  衰减64态相对衰减量测试结果

      Figure 8.  Measured relative attenuation of all 64 states

      图  9  衰减64态均方根误差测试结果

      Figure 9.  Measured RMS error of attenuation of all 64 states

      图  10  衰减64态附加相移测试结果

      Figure 10.  Measured phase variation of all 64 states

      $AT{T_{{\rm{err}}}}_{({\rm{RMS}})} = \sqrt {\sum\limits_{i = 0}^{i = {2^N} - 1} {\frac{{{{\left( {{M_i} - {P_i}} \right)}^2}}}{{{2^N}}}} } $

      (5)

      式中:MiPii=0,1,…,2N−1)分别为实际衰减量和理论值;N为衰减器位数。

    • 本文主要基于GaAs E/D pHEMT工艺研制了一款Ku波段MMIC 6位数字衰减器芯片。芯片尺寸为3.00 mm×0.75 mm。经在片测试结果显示,在工作频带12~18 GHz内,数字衰减器的输入驻波比小于1.35∶1,输出驻波比小于1.5∶1,插入损耗小于4.9 dB,衰减64态均方根误差小于0.25 dB,附加相移为−0.5°~+9.5°。该数字衰减器芯片具有较低的插入损耗和附加相移,高衰减精度和良好的衰减平坦度,可广泛应用于微波相控阵雷达收发组件等领域。

参考文献 (15)

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