張超+陳月盈

摘 要：基于GaAs 襯底增強(qiáng)/耗盡型贗（E/D） 工藝設(shè)計(jì)了K波段幅相控制多功能MMIC。該芯片對(duì)接收增益波動(dòng)大采取了2bit微調(diào)數(shù)控衰減器的改善措施，同時(shí)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(cè)試結(jié)果表明：接收支路增益≥3dB，輸出1dB壓縮點(diǎn)≥1dBm； 發(fā)射支路增益≥5dB，輸出1dB壓縮點(diǎn)≥4dBm；移相RMS≤5°，衰減RMS≤0.6dB。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)/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(hào)：TN43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(diǎn)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(jī)對(duì)功率、頻率及性能的不斷追求，對(duì)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(jì)并實(shí)現(xiàn)了K波段幅相控制多功能MMIC。該芯片對(duì)接收增益波動(dòng)大采取了2bit微調(diào)數(shù)控衰減器的改善措施，實(shí)現(xiàn)了接收支路增益≥3dB，輸出1dB壓縮點(diǎn)≥1dBm； 發(fā)射支路增益≥5dB，輸出1dB壓縮點(diǎn)≥4dBm；移相RMS≤5°，衰減RMS≤0.6dB。

1.多功能MMIC的設(shè)計(jì)

多功能MMIC的設(shè)計(jì)包含：整體拓?fù)湓O(shè)計(jì)、開關(guān)設(shè)計(jì)、數(shù)控移相器設(shè)計(jì)、數(shù)控衰減器設(shè)計(jì)和放大器設(shè)計(jì)5個(gè)主要部分，然后通過(guò)仿真，版圖布局最終完成多功能MMIC的設(shè)計(jì)。

1.1 多功能MMIC的拓?fù)?/p>

該芯片采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，集成了3個(gè)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(gè)單刀雙擲開關(guān)組合、16位并口驅(qū)動(dòng)器。該電路特點(diǎn)：集成度高，隔離度高，功耗低。

1.2 開關(guān)的設(shè)計(jì)

開關(guān)在多功能MMIC中起到信號(hào)選擇導(dǎo)通的作用，用來(lái)控制信號(hào)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(biāo)的好壞直接影響多功能MMIC的指標(biāo)。

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

目前流行的開關(guān)拓?fù)錇榇⒙?lián)結(jié)構(gòu)如圖3所示，其特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小型化、指標(biāo)優(yōu)秀。該芯片采用了串并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

通過(guò)調(diào)整V1、V2的電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)收發(fā)通道的選擇。

1.3 數(shù)控移相器的設(shè)計(jì)

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

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

目前比較常用的拓?fù)浣Y(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(diǎn)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(jìn)5.625°，并由6個(gè)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(jiǎn)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(diǎn)可大幅度減小芯片面積。同時(shí)該結(jié)構(gòu)適用于大移相位，相移和插損在帶寬內(nèi)波動(dòng)幅度較小。

1.4 數(shù)控衰減器的設(shè)計(jì)

數(shù)字衰減器常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有簡(jiǎn)T型和π型，如圖7、圖8所示。單態(tài)衰減設(shè)計(jì)應(yīng)盡量選擇損耗小、精度高、小型化的結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)中0.5dB和1dB采用簡(jiǎn)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(gè)8dB結(jié)構(gòu)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字衰減器的拓?fù)淙鐖D9所示。

1.5 放大器設(shè)計(jì)

放大器在多功能MMIC中用于電路插入損耗的補(bǔ)償，同時(shí)具備一定的輸出功率，用來(lái)驅(qū)動(dòng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖10所示。電路采用自偏壓結(jié)構(gòu)，電源電壓+5V?；贕aAs大信號(hào)模型進(jìn)行了電路匹配。在設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注了功率管源極的對(duì)地電容，其寄生效應(yīng)會(huì)引起源極負(fù)反饋，通過(guò)電磁場(chǎng)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(jì)

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(jì)數(shù)字移相器和數(shù)字衰減器的版圖中，重點(diǎn)考慮輸入輸出匹配，減小插損；對(duì)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(chǎng)仿真優(yōu)化功能，改進(jìn)多功能版圖布局，重點(diǎn)考慮減小各功能電路間的耦合、串?dāng)_、兼容等影響，同時(shí)改良布局達(dá)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(jìn)行濾波組合，控制電壓重點(diǎn)做好過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路和防靜電保護(hù)電路，提高數(shù)字電路的可靠性。

3.工藝實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

本文基于GaAs E/D工藝實(shí)現(xiàn)了幅相控制多功能MMIC。該工藝可實(shí)現(xiàn)微波電路和數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路一體化設(shè)計(jì)。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(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和微波探針系統(tǒng)對(duì)多功能MMIC進(jìn)行了圓片測(cè)試，主要電性能測(cè)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(hào)增益，在整個(gè)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(hào)輸出P-1dB，在整個(gè)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(gè)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(jì)并實(shí)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(dòng)。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(shí)現(xiàn)對(duì)接收和發(fā)射信號(hào)的幅相控制。

參考文獻(xiàn)

[1] KANG D W， KIM J G， MIN B W， et al. Single and four-element Ka-band transmit/receive phased-array silicon RFICs with 5-bit amplitude and phase control[J] IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques. 2009， 57（12）： 3534-3543.

[2] JEONG J C， YOM I B. X-band high power SiGe BiCMOS multi-function chip for active phased array radars[J] Electron. Lett. 2011， 47（10）： 618-619.

[3]劉石生，彭龍新，潘曉楓，等. E/D GaAs pHEMT多功能MMIC設(shè)計(jì)[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2014，34（1）： 29-34.

[4]徐偉，吳洪江，魏洪濤，等.基于GaAs pHTMT的6～10GHz多功能芯片[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2014，39（2）： 103-107.

[5]李富強(qiáng)，方園，高學(xué)邦，等.毫米波單刀雙擲開關(guān)的設(shè)計(jì)與制作[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2009，34（1）：17-20.

[6]劉志軍，高學(xué)邦.一款高精度大衰減量單片數(shù)控衰減器[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2012，37（1）：59-62.

[7]劉文杰，劉志軍，高學(xué)邦，等.反饋式寬帶MMIC放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2009，34（8）：807-810.

[8]趙子潤(rùn)，陳鳳霞.砷化鎵六位串并行驅(qū)動(dòng)器芯片的研制[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2015，40（12）：849-898.