周守利，張景樂，吳建敏，鄭 骎，王志宇*

(1. 浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院 杭州 310023；2. 浙江大學(xué)航空航天學(xué)院 杭州 310027)

有源相控陣天線在雷達和無線通信等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，可支持快速波束成形和波束掃描，并可消除來自不同方向的干擾，從而達到更好的信噪比和更高的信道容量[1-2]。大規(guī)模有源相控陣天線通常由數(shù)千個發(fā)射接收(T/R)單元組成，其通道一致性、可靠性和成本控制取決于其核心功能器件的性能和集成度[3-5]。傳統(tǒng)設(shè)計中通常將放大器、數(shù)控移相器、數(shù)控衰減器、微波開關(guān)等不同的單元電路集成在同一顆芯片上組成多功能芯片[6-8](multi-function chip,MFC)，實現(xiàn)對信號的幅度、相位控制和收發(fā)切換，以降低相控陣的成本，提高集成度和可裝配性。

X 波段相控陣技術(shù)是微波雷達應(yīng)用的研究熱點，文獻[9]基于0.25 μm GaAs pHEMT 工藝研制了一款X 波段多功能芯片，集成了6 bit 移相器、5 bit衰減器等，面積5.0×4.0 mm2。在8.5～11.5 GHz，移相器移相RMS 誤差小于5.5°。文獻[10]研制了一款X 波段GaAs 多功能芯片，集成了6 bit 移相器、5 bit 衰減器等，面積5.0×4.0 mm2。在8.5～11 GHz，移相器移相RMS 誤差小于4°，衰減器衰減RMS 誤差小于0.4 dB。文獻[11]基于0.5 μm GaAs pHEMT 工藝研制了一款X 波段多功能芯片，集成了6 bit 移相器、6 bit 衰減器等，面積5.5×4.0 mm2。在8.5～10.5 GHz，移相器移相RMS誤差小于2.5°，衰減器衰減RMS 誤差小于0.5 dB。以上3 款多功能芯片采用移相器控制相位，獲得了較低的無源插損和高精度的移相特性。僅采用移相器的相控陣系統(tǒng)通常是一個窄帶系統(tǒng)，其窄帶特性表現(xiàn)在天線波束指向隨信號頻率變化發(fā)生波束色散，進而限制了信號的瞬時帶寬[12]，通過采用真延時(TTD)可以消除波束色散，提高瞬時帶寬。

基于寬帶相控陣系統(tǒng)的應(yīng)用需求，本文提出了一種在傳統(tǒng)多功能芯片上加入2 位延時器的新架構(gòu)。多功能芯片集成了2 位數(shù)字延時器、6 位數(shù)字移相器、6 位數(shù)字衰減器、4 個單刀雙擲開關(guān)及2 個驅(qū)動放大器。采用移相器實現(xiàn)了高精度的移相特性，同時加入的兩位延時器有效降低了波束的空間色散，提高了相控陣系統(tǒng)的掃描角度和瞬時帶寬。在幅相特性方面，采用高低通移相網(wǎng)絡(luò)和開關(guān)型衰減拓撲，實現(xiàn)了良好的幅相性能。

1 時延移相參數(shù)分析

在工程應(yīng)用中，一般將整個陣列均勻劃分為幾個子陣，對各個子陣進行時間延時，在子陣內(nèi)部陣元上采用移相器控制相位。圖1a 為傳統(tǒng)的二維平面相控陣天線示意圖，其中 φB為天線波束在方位向的掃描角， θB為天線波束在俯仰向的掃描角，陣元間距分別為d1與d2。將該平面陣劃分為M 個行線陣，每個行線陣包含N 個單元。通常在子陣級上接入具有大延時量的數(shù)控延時器(T)，補償子陣間的孔徑渡越時間，天線在俯仰向上可實現(xiàn)寬角掃描。而子陣內(nèi)部的陣元上僅采用移相器實現(xiàn)陣內(nèi)相位差，天線在方位向的掃描角度受到嚴重限制。

對于在方位向掃描的陣內(nèi)天線，第N?1 個單元輻射的信號將最先到達目標，第0 號單元最晚到達目標。0 號與第N?1 個單元的陣內(nèi)相位差可表示為：

式中， ??為陣內(nèi)相位差； L為子陣孔徑長度，L=(N ?1)d1。

圖1 兩種相控陣天線示意圖

對于窄帶系統(tǒng)， ??通常為中心頻點 f0對應(yīng)的陣內(nèi)相位差，當掃描角度 φB增大，移相器需要補償?shù)??隨之增大；對于寬帶系統(tǒng)，當信號頻率變化時，低頻時波束指向 φB比中心頻點 f0時大，高頻時波束指向 φB比中心頻點 f0時小，波束指向隨信號頻率變化而發(fā)生波束色散。

為了實現(xiàn)在相控陣應(yīng)用中可同時支持寬帶、寬角工作，本文提出了在傳統(tǒng)多功能芯片加入2 位數(shù)字延時器(τ)的新架構(gòu)，圖1b 為本文提出的相控陣天線示意圖。通過加入延時器補償陣內(nèi)相位差，增大掃描角度；延時器的相移量隨頻率線性變化，波束指向與頻率無關(guān)，有效降低色散。同時加入的2 位延時器提高了多功能芯片的集成度，并避免了全部采用延時器取代移相器時，數(shù)量眾多、損耗較大的延時器給工程實現(xiàn)帶來的巨大代價。

以N=4，d1=λ0/2的子線陣為例進行分析，為了實現(xiàn)帶寬(0.8f0～1.2 f0)、最大偏轉(zhuǎn)角度(45°～60°)的波束掃描，通過理論計算，本設(shè)計選擇加入2 位(0.25λ0,0.5λ0)數(shù)字延時器。表1 總結(jié)了加入2 位延時器對掃描角度、帶寬的影響。

表1 延時器對掃描角度和帶寬的影響

從表1 可得出，單一移相器子陣只能實現(xiàn)最大40°的掃描角度，且在 φB=40°時，工作頻帶內(nèi)波束最大漂移達到33.8%。加入2 位延時器后，可實現(xiàn)最大60°的掃描角度，并顯著降低了波束隨頻率變化的角度漂移， φB=40°時，帶內(nèi)波束最大漂移6.7%， φB=60°時，帶內(nèi)波束最大漂移22%。

2 電路設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

圖2 多功能芯片總體框圖及鏈路預(yù)算

基于本文提出的加入2 位延時器的新架構(gòu)進行多功能芯片的設(shè)計，多功能芯片總體框圖如圖2 所示。鏈路結(jié)構(gòu)采用了公共支路拓撲[13-14]，發(fā)射(TX)、接收(RX)支路共用2 位延時器，6 位移相器、2 個驅(qū)動放大器以減小芯片的尺寸。移相器用來調(diào)節(jié)收發(fā)支路的相位特性，延時器用來補償不同頻率引起的相位差，驅(qū)動放大器用來補償無源電路的插入損耗，并提供一定的輸出功率。在接收支路增加6 位數(shù)字衰減器實現(xiàn)接收幅度調(diào)制功能。4 個單刀雙擲開關(guān)(SPDT)組成的微波開關(guān)陣列用來實現(xiàn)收發(fā)切換，并在公共端(COM)串聯(lián)的開關(guān)SW2一端接入50 Ω 負載，保證負載態(tài)時COM 端口的良好匹配。

根據(jù)芯片總體指標對鏈路進行增益和功率預(yù)算，圖2 標明了各個模塊電路的增益或損耗及信號經(jīng)過鏈路的功率變化，其中藍色標記為發(fā)射鏈路功率預(yù)算，紅色標記為接收鏈路功率預(yù)算。

2.2 移相器設(shè)計

移相器作為幅相多功能芯片的關(guān)鍵模塊，其電路拓撲如圖3 所示。6 位數(shù)字移相器由6 個基本位組成，分別為5.625°、11.25°、22.5°、45°、90°和180°，通過控制6 個移相單元的組合，可實現(xiàn)步進值為5.625°的64 個移相狀態(tài)，移相范圍0°～360°。

5.625°移相位采用了簡化的串聯(lián)型FET 結(jié)構(gòu)，參考態(tài)時，M1導(dǎo)通，M2截止，信號通過電容C1產(chǎn)生超前相位。移相態(tài)時，M2導(dǎo)通，M1截止，信號通過電感L1產(chǎn)生滯后相位，兩種狀態(tài)的相位差即為所需要的相移量。這種結(jié)構(gòu)引入較小的插入損耗，且匹配性好，體積小。

11.25°和22.5°采用橋T 型結(jié)構(gòu)，參考態(tài)時，M1，M2導(dǎo)通，M3截止，調(diào)節(jié)電感L2的感值使其與M3的截止電容產(chǎn)生并聯(lián)諧振。由于串聯(lián)管芯M1的導(dǎo)通電阻Ron很小，此時信號傳輸?shù)南辔徊詈筒迦霌p耗都很小。在移相狀態(tài)，M1，M2截止，M3導(dǎo)通，電路等效為T 型低通移相網(wǎng)絡(luò)。該拓撲只有一個串聯(lián)開關(guān)，具有較小的插入損耗，并將開關(guān)的截止態(tài)寄生電容作為移相網(wǎng)絡(luò)的一部分，消除寄生參數(shù)對電路性能的影響[15]。

圖3 6 位數(shù)字移相器電路拓撲

由于管芯寄生效應(yīng)作用，橋T 型移相器的工作帶寬較窄，不再適合相位變化較大的移相位。45°、90°、180°移相位采用了高低通結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，電路拓撲如圖4a，通過SPDT 開關(guān)使信號在高通濾波器和低通濾波器之間切換，利用兩個網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的相頻特性的差別實現(xiàn)移相。高通濾波器電路的相位超前隨頻率的升高而減小，低通濾波器電路的相位滯后隨頻率的升高而增大，這兩種濾波器在移相時可以互相補償相位，從而實現(xiàn)較寬頻率范圍內(nèi)平坦的移相特性。高低通網(wǎng)絡(luò)的各元件值可通過式(2)、式(3)計算所得：

式中， Z0為特征阻抗(50 Ω)；ω0=2πf0； φ0為所需要的相移量。

對于180°移相位，通過增加濾波器階數(shù)，采用了5 階高低通網(wǎng)絡(luò)，增大了移相值，拓寬了移相器的響應(yīng)帶寬[16]。圖4b 為180°相位特性，在整個頻帶內(nèi)，移相范圍180±2.5°。表2 列出了基于開關(guān)管芯寄生影響的6 位數(shù)字移相器設(shè)計參數(shù)。

圖4 高低通濾波特性

表2 6 位數(shù)字移相器設(shè)計參數(shù)

2.3 衰減器設(shè)計

數(shù)字衰減器電路拓撲如圖5 所示。6 位數(shù)字衰減器由0.5、1、2、4、8、16 dB 衰減單元級聯(lián)而成，在0.5～31.5 dB 的衰減范圍內(nèi)可以實現(xiàn)以0.5 dB為步進的64 種衰減狀態(tài)。

0.5 dB 和1 dB 衰減位采用的是簡化的T 型衰減器結(jié)構(gòu)，僅采用一個并聯(lián)電阻進行衰減，開關(guān)選用兩個小尺寸的管子串聯(lián)而成。參考態(tài)時開關(guān)管M1截止，信號不衰減，由于M1截止電容足夠小，對于射頻信號相當于開路，提高了隔離度；當開關(guān)管M1導(dǎo)通時，衰減器工作在衰減態(tài)，并聯(lián)支路到地電阻對信號進行衰減。該結(jié)構(gòu)適用于小衰減位，具有結(jié)構(gòu)簡單、插入損耗小等優(yōu)點。其衰減量及衰減態(tài)回波損耗與電阻R1的阻值關(guān)系如表3 所示。

根據(jù)表3 可知，當衰減量較小(0.5、1 dB)時，衰減器的回波損耗也比較??；當衰減量大于2 dB時，回波損耗將會嚴重惡化，該簡化T 型衰減結(jié)構(gòu)不再適用。

對于2 dB 和4 dB 衰減位，采用了開關(guān)T 型衰減結(jié)構(gòu)。當處于參考態(tài)時，M1導(dǎo)通，M2截止，電路等效為小電阻，信號的幅度與相位變化都不大；當處于衰減態(tài)時，M1截止，M2導(dǎo)通，電路等效為T 型衰減網(wǎng)絡(luò)，衰減網(wǎng)絡(luò)的各電阻值可通過式(4)、式(5)計算所得。該結(jié)構(gòu)本身具有很好的端口匹配特性，可以很好地與其他衰減位級聯(lián)[17]。

圖5 6 位數(shù)字衰減器電路拓撲

表3 衰減量及回波損耗與電阻R1 的關(guān)系

式中，Z0是特征阻抗(50 Ω)；L 是需要的衰減量。

對于8 dB，16 dB 衰減位，較大的衰減會在衰減狀態(tài)與參考狀態(tài)之間產(chǎn)生較大的附加相移，而僅通過T 型衰減結(jié)構(gòu)很難消除[18]。因此采用了開關(guān)型衰減拓撲結(jié)構(gòu)，通過兩對SPDT 將信號在參考支路和衰減支路之間切換實現(xiàn)衰減。在衰減支路采用T 型衰減網(wǎng)絡(luò)提高衰減平坦度，同時在參考支路增加一段微帶線來補償衰減支路的相位誤差，該結(jié)構(gòu)雖然增加了兩對SPDT 的插入損耗，但在整個帶寬內(nèi)有很好的衰減特性，并減小了對相位的調(diào)制，有效降低了衰減器的附加相移。表4 為基于開關(guān)管芯寄生影響的6 位數(shù)字衰減器設(shè)計參數(shù)。

表4 6 位數(shù)字衰減器設(shè)計參數(shù)

2.4 延時器設(shè)計

延時器采用開關(guān)型延時結(jié)構(gòu)[19]，如圖6 所示，由2 組SPDT 與延時網(wǎng)絡(luò)組成，開關(guān)在參考態(tài)和延時態(tài)進行路徑切換，實現(xiàn)恒定的時延變化。

以25 ps(0.25 λ)作為一個延時單元，50 ps 延時采用2 個25 ps 延時單元堆疊而成，通過控制兩個延時位的組合，可實現(xiàn)25、50、75 ps 的3 組延時狀態(tài)。延時單元采用如圖7a 所示的L-C-L 的T 型延時網(wǎng)絡(luò)。為了減小延時單元的面積，延時單元中的耦合電感采用耦合微帶線實現(xiàn)，延時單元版圖如圖7b 所示。

表5 為2 位數(shù)字延時器電路設(shè)計參數(shù)。由于耦合電感采用了微帶線實現(xiàn)，電感參數(shù)不再列出。

圖6 2 位數(shù)字延時器電路拓撲

圖7 延時單元設(shè)計

表5 2 位數(shù)字延時器設(shè)計參數(shù)

2.5 其他電路設(shè)計

單刀雙擲開關(guān)拓撲如圖8 所示，采用兩級串并聯(lián)結(jié)構(gòu)。在導(dǎo)通支路上，串聯(lián)管芯決定了支路的插入損耗，并聯(lián)管芯提高支路的隔離度。同時，在串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改進為吸收式開關(guān)，即在兩個支路端的開關(guān)管上并聯(lián)50 Ω 左右的電阻，使開關(guān)在開閉狀態(tài)下，各端口均有良好匹配。

驅(qū)動放大器的電路拓撲如圖9 所示，采用單級放大，電路采用管芯并聯(lián)RLC 負反饋網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。

電阻R1作為負反饋結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵元件，決定了放大器的基礎(chǔ)增益和帶寬，它能夠提高晶體管的穩(wěn)定性，并使得輸入輸出阻抗更接近50 Ω。電感L3為電路帶來一定程度的頻響特性，當電路工作在低頻時，由R1控制電路的增益水平；當電路工作在高頻時，L3會降低負反饋效應(yīng)，使放大器表現(xiàn)出一個平坦的增益特性曲線。在漏極輸出端引入電感L4，用于補償晶體管的輸出寄生電容Cds，同時為電路提供一定的增益正斜率特性。

圖8 單刀雙擲開關(guān)電路拓撲

圖9 驅(qū)動放大器電路拓撲

3 測試和分析

在版圖的整體布局中，根據(jù)各基本位的端口阻抗特性，確定各移相位及衰減位的級聯(lián)順序，并調(diào)整公共支路移相器的接口以減小芯片面積。多功能芯片的照片如圖10 所示，芯片尺寸為5.0×3.5 mm2。

圖10 X 波段多功能芯片顯微照片

測試系統(tǒng)采用Cascade 微波探針臺、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Agilent PNA N5224A)、開關(guān)矩陣(Agilent 34980A)以及電源，測試系統(tǒng)如圖11 所示。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、開關(guān)矩陣和計算機通過GPIB 進行連接。開關(guān)矩陣負責對移相器、衰減器、延時器、微波開關(guān)陣列發(fā)送控制信號及切換；電源負責對芯片放大器供電；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀負責對多功能芯片S 參數(shù)的測量；計算機用來實現(xiàn)自動測試，以及測試結(jié)果的處理和顯示。

圖11 多功能芯片自動測試系統(tǒng)

采用微波探測臺對多功能芯片進行在片測試，控制微波開關(guān)陣列實現(xiàn)芯片收發(fā)通道的切換，并分別測試收發(fā)通道中的移相器、衰減器、延時器的幅相特性，以及通道增益和輸出功率。測試條件為：芯片的放大器工作電壓為+5 V，靜態(tài)工作電流為33 mA，開關(guān)柵極偏置電壓0/?5 V，輸入功率Pin=?15 dBm。

射頻性能測試結(jié)果如圖12 所示。圖12a 和圖12b 所示，芯片的發(fā)射增益大于7 dB，接收增益大于3 dB；發(fā)射通道P1dB大于7.5 dBm，接收通道P1dB大于5 dBm。圖12c 和圖12d 分別為64 態(tài)移相特性和64 態(tài)衰減特性，在整個頻帶內(nèi)都具有較好的移相、衰減平坦度。圖12e 為收發(fā)通道中移相器的相位、幅度誤差，收發(fā)狀態(tài)下，移相器64 態(tài)移相RMS 誤差均小于3.5°，移相寄生調(diào)幅RMS 誤差均小于0.3 dB。圖12f為接收狀態(tài)下的衰減器測試性能，64 態(tài)衰減RMS 誤差小于0.4 dB，衰減附加相移RMS 誤差小于2.5°。圖12g 和圖12h，延時器延時特性相對平坦，3 態(tài)延時的延時誤差在±1.5 ps，3 態(tài)延時寄生調(diào)幅誤差在±0.3 dB。圖12i和圖12j 所示，發(fā)射通道全態(tài)端口回波損耗小于?12 dB；接收通道全態(tài)端口回波損耗小于?16 dB。

圖12 X 波段多功能芯片測試結(jié)果

表6 總結(jié)了本文與公開文獻發(fā)表的其他同頻段內(nèi)多功能芯片的性能對比。本文設(shè)計的多功能芯片在移相精度、移相寄生調(diào)幅、衰減精度、衰減附加相移等幅相特性上具有明顯優(yōu)勢。此外，本文的設(shè)計與采用CMOS 工藝設(shè)計的文獻[4-5]相比，在同等增益水平時功耗相當。相比于文獻[4-6, 9-11]，本設(shè)計工作頻帶為8～12 GHz，具有更大的工作帶寬。與文獻[20-21]相比，在均具有覆蓋整個X 波段的帶寬下，本設(shè)計在工藝造價上具有更低的成本。同時在多功能芯片上集成了2 位延時器，具有更高的集成度，可顯著改善相控陣應(yīng)用中的波束色散。

表6 多功能芯片性能對比

4 結(jié) 束 語

本文基于0.5 μm GaAs pHEMT 工藝研制了一款X 波段寬帶幅相多功能芯片。芯片集成了延時器、移相器、衰減器、單刀雙擲開關(guān)、驅(qū)動放大器等5 種單功能電路，提高了T/R 組件的集成度，降低了T/R 組件的成本，滿足相控陣雷達對前端T/R 組件高集成度和低成本的要求，同時集成的兩位數(shù)字延時器可有效提高相控陣系統(tǒng)的瞬時帶寬。在幅相特性方面，采用高低通移相網(wǎng)絡(luò)和開關(guān)型衰減拓撲，實現(xiàn)了高精度的移相、衰減特性，并有效降低了寄生調(diào)幅和附加相移。測試結(jié)果表明，該芯片實現(xiàn)了寬帶性能和良好的幅相性能，可廣泛應(yīng)用于微波相控陣雷達T/R 組件等領(lǐng)域。