賈玉偉，張浩然，曾　志，樸貞真

(中國電子科技集團公司第十三研究所，石家莊 050051)

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一種集成電長度補償功能的C頻段五通道接收組件*

賈玉偉**，張浩然，曾志，樸貞真

(中國電子科技集團公司第十三研究所，石家莊 050051)

摘要：介紹了一種C頻段五通道接收組件的設(shè)計方法。闡述了接收組件的工作原理，給出了功能實現(xiàn)框圖，分析了電長度補償單元、通道選擇單元、幅相控制單元、信號合成單元共4 個部分的設(shè)計方案。采用盤旋同軸線方案實現(xiàn)了電長度補償，補償最大值達(dá)635°。接收組件集成了限幅、通道選擇、5位移相、5位衰減、電長度補償、信號合成、電壓轉(zhuǎn)換等功能。接收組件的測試結(jié)果為噪聲系數(shù)3.5 dB，增益 25 dB，輸入輸出駐波比小于1.5∶1，總功耗780 mW。

關(guān)鍵詞：C頻段；微波接收組件；電長度補償；五通道；低功耗；三合一合成器

1引言

隨著集成電子技術(shù)、新材料技術(shù)和封裝互連技術(shù)的快速發(fā)展，電子裝備正在向小型化、輕量化、高可靠和多功能方向發(fā)展。

目前采用微波混合集成電路(Hybrid Microwave Integrated Circuit,HMIC)實現(xiàn)微波接收組件的技術(shù)已趨于成熟。隨著微波單片集成電路技術(shù)(Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC)的發(fā)展，微波接收組件的尺寸進(jìn)一步減小，性能和集成度得到了進(jìn)一步的提高[1]。如接收組件設(shè)計方案中通道數(shù)非2n(n為非負(fù)整數(shù))，并且采用了功率分配/合成器，將會出現(xiàn)各通道電長度不平衡的現(xiàn)象，嚴(yán)重降低功率合成器的工作效率。這種情況下，有必要對各通道進(jìn)行電長度補償。

文獻(xiàn)[1]介紹了一種基于低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)技術(shù)的Ka頻段下變頻接收組件的研制技術(shù),文獻(xiàn)[2]采用多芯片組裝(Multi-chip Module，MCM)技術(shù)研制了一種Ku頻段四通道接收組件。目前，國內(nèi)外關(guān)于微波接收組件的研究熱點集中于小型化、高集成、毫米波，而對于組件輸入端口數(shù)和通道數(shù)均為奇數(shù)，內(nèi)部進(jìn)行通道選擇和電長度補償?shù)慕M件設(shè)計鮮有相關(guān)報道。

本文介紹了一種集成電長度補償功能的五通道接收組件的設(shè)計與實現(xiàn)過程，并給出了實物照片和測試曲線。

2工作原理

五通道接收組件包括電長度補償單元、通道選擇單元、幅相控制單元、信號合成單元、電源管理和信號控制單元。通道選擇單元實現(xiàn)5個輸入端口與3個幅相控制通道的開關(guān)切換，即“五選三”功能，同時集成限幅功能，為后級開關(guān)和低噪放芯片等提供保護。幅相控制單元集成5位移相、5位衰減功能，提供11.25°步進(jìn)移相控制和0.5 dB步進(jìn)、最大15.5 dB衰減控制，同時集成兩級低噪聲放大器，對通道進(jìn)行增益補償。信號合成單元采用威爾金森結(jié)構(gòu)設(shè)計三合一合成器電路，完成信號的合成輸出。電長度補償單元以電長度最長的通道為基準(zhǔn)，通過在其他通道增加帶線或線纜長度的方式，為其他通道提供電長度補償。電源管理和信號控制單元將上級系統(tǒng)提供的電壓轉(zhuǎn)換成器件工作所需的電壓，為開關(guān)電路、低噪放電路、移相衰減電路提供相應(yīng)的驅(qū)動。

該接收組件存在3種工作模式，分別可接收RFin1、RFin2、RFin3，RFin2、RFin3、RFin4，RFin3、RFin4、RFin5。3種工作模式下，信號均由RFout端口輸出。

五通道接收組件電原理如圖1 所示。

圖1　五通道接收組件電原理圖

3各單元電路的設(shè)計過程

3.1通道選擇單元的設(shè)計

根據(jù)圖1，RFin3到RFout通道為直接級聯(lián)方式，RFin1和RFin4、RFin2和RFin5需要通過單刀雙擲開關(guān)(Single Pole Double Throw,SPDT)進(jìn)行選擇，同時為保護后級電路，在組件每個通道的輸入端均集成了限幅功能。

圖2為限幅電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]。

圖2　限幅電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

限幅電路采用GaAs PIN 二極管結(jié)構(gòu)，由兩級并聯(lián)的二極管對組成，當(dāng)微波輸入信號較小時，PIN管處于高阻狀態(tài)，限幅電路對微波信號表現(xiàn)為通路。微波信號逐漸加強，二極管導(dǎo)通后，限幅電路對微波信號起到限幅作用。

開關(guān)電路采用常見的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)。本文中采用匹配式開關(guān)，又叫吸收式開關(guān)，該類型開關(guān)的特點是在輸出端管子上并聯(lián)一個50 Ω負(fù)載，在處于關(guān)斷狀態(tài)時，輸出端處于匹配狀態(tài)，結(jié)構(gòu)如圖3[4]所示。

圖3　開關(guān)電路拓?fù)鋱D

3.2幅相控制單元的設(shè)計

幅相控制單元主要集成了移相衰減多功能芯片和兩級低功耗低噪聲放大芯片。

移相衰減多功能芯片內(nèi)部集成移相功能電路和衰減功能電路。移相功能電路可看作由電容、電感和GaAs FET共同構(gòu)成的濾波網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)最小移相步進(jìn)11.25°、最大移相量348.75°。衰減功能電路的實質(zhì)為T型網(wǎng)絡(luò)或π型網(wǎng)絡(luò)，由GaAs薄膜電阻和GaAs FET共同構(gòu)成，通過電壓變換控制FET器件微波阻抗的變化，從而改變衰減網(wǎng)絡(luò)的衰減值，可實現(xiàn)最小衰減步進(jìn)0.5 dB、最大衰減量15.5 dB。同時該芯片片上集成了10位串轉(zhuǎn)并驅(qū)動電路和低電平使能端。

放大器是本模塊中功耗較高的電路單元，為降低功耗，本文中采用了堆迭式偏置技術(shù)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。在該電路結(jié)構(gòu)中，第二級FET的漏極電流從其源極流入到第一級FET的漏極，通過去耦電容將所有FET的源極交流接地，使用電感級聯(lián)前一級FET的源極到后一級FET的漏極實現(xiàn)電流直通。在堆迭式電路結(jié)構(gòu)中，第一級FET的漏壓為2.4 V，第二級FET的漏壓為4.4 V，整個放大器只需要一個+5 V單電源，電流僅為10 mA，從而實現(xiàn)了低功耗指標(biāo)要求。

圖4　放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.3信號合成單元的設(shè)計

在微波電路設(shè)計中，工程師常常需要按一定的比例將微波信號分成兩路或多路，實現(xiàn)這樣功能的器件稱為功率分配器，簡稱為功分器。將功分器反過來使用可以將兩路或多路微波信號合為一路，稱之為功率合成器，也可簡稱為功合器。

信號合成單元的功能即將輸入的三路信號合為一路。在微波頻段，Wilkinson功分器被廣泛采用，Wilkinson結(jié)構(gòu)克服了T型結(jié)構(gòu)不能在全部端口匹配，在輸出端口之間沒有任何隔離的缺點[5]。

偶等分的功分器結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用廣泛。對于奇等分功分器，通常采用以下3種設(shè)計方法：直接一分三的等功率分配器、加負(fù)載匹配的一分三路功分器和由兩個一分二功分器級聯(lián)的一分三功分器[6]。本文采用直接一分三的等功率分配器設(shè)計方法。為提高分路間隔離度，采用兩級級聯(lián)的結(jié)構(gòu)。按信號合成的概念，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示[5]。

圖5　信號合成電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

選用最平坦變換器，特征阻抗Z1和Z2為Z1=114 Ω，Z2=65 Ω。平面隔離電阻R1和R2為R1=65 Ω，R2=200 Ω[5]。

3.4電長度補償單元的設(shè)計

從圖1的電路結(jié)構(gòu)中可看出，5個輸入通道有長有短，存在天然的電長度不平衡，同時考慮到電路布版造成的電長度不平衡，將會導(dǎo)致各通道進(jìn)入信號合成電路的信號存在相位不平衡和“色散”現(xiàn)象?！吧ⅰ爆F(xiàn)象是指工作頻帶內(nèi)不同的工作頻點信號經(jīng)過電長度不等的傳輸網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的相位延遲不同,故需要對各通道進(jìn)行電長度補償。

山荷葉的花朵有6 片白色的花瓣，花瓣的寬窄在不同個體間有較大的差異。由于它太過獨特，在國外也備受關(guān)注，常年活躍在“世界上最神奇的十種植物”之類的排行榜中，還擁有一個有趣的英文名“skeleton flower”（骨架花），以描述它淋雨后花瓣變得透明，能看到花瓣上脈絡(luò)紋路的樣子。

電長度以度數(shù)Φ表征可按式(1)計算，以時間TD表征可按式(2)計算:

(1)

(2)

由式(1)和式(2)可得

Φ=-360TDf。

(3)

式(1)～(3)中：L為傳輸線物理長度;εr為傳輸線介質(zhì)相對介電常數(shù);f為工作頻率;c為光速。

式(1)表征了電長度與傳輸線物理長度的關(guān)系，式(3)表征了電長度與延時的關(guān)系。

由此，我們可以得出電長度補償?shù)膬煞N方法：一是采用低損耗傳輸線；另一種方法是采用延時網(wǎng)絡(luò)，目前有成熟的延時器芯片可用，但延時器芯片會引入大約20 dB的插入損耗[7〗，若為降低功耗將低噪聲放大器放在了通道選擇單元之后，延時網(wǎng)絡(luò)所引入的插入損耗將完全轉(zhuǎn)化為組件的噪聲，這是無法接受的，故該方法不宜采用。

采用低損耗平面微帶傳輸線的方案理論上不會顯著惡化組件噪聲，缺點是傳輸線過長會增加空間布線的難度和顯著的通道串?dāng)_。本文中采用了盤旋走線的同軸線方案。其中，通道3補償度數(shù)最大，約635°，線纜展開長度約1 035 mm，盤好后兩端長度約20 mm。該方案同時完成了通道2和通道4的交叉。

電源管理和信號控制單元主要實現(xiàn)將系統(tǒng)提供的+6.5 V穩(wěn)壓輸出到+5 V，將-6.5 V穩(wěn)壓輸出到-5 V，為開關(guān)電路、低噪放電路、移相衰減電路提供相應(yīng)的驅(qū)動。

4五通道接收組件組裝及測試

微波單片電路采用粘結(jié)、鍵合等微組裝工藝裝入到標(biāo)準(zhǔn)化陶瓷管殼中，再將封裝好的器件采用電裝、機裝等工藝裝入接收組件中，封蓋采用激光封焊工藝，整套工藝成熟可靠。圖6所示為接收組件實物照片。

圖6　接收組件實物照片

該接收組件具有5個輸入、1個輸出共6個微波端口?？刂茢?shù)據(jù)兼有串行數(shù)據(jù)和并行數(shù)據(jù)。綜合考慮多端口、幅相控制多狀態(tài)等特點，完成一次手動測試約需0.5 h，為此利用編程軟件編寫了自動化測試程序，完成一次自動測試約需1 min，測試結(jié)果可自動保存，測試效率顯著提高。接收組件的增益測試曲線見圖7。

圖7　接收組件的實測增益曲線

接收組件的噪聲系數(shù)測試曲線見圖8。

圖8　接收組件的實測噪聲系數(shù)曲線

接收組件的駐波測試曲線見圖9。

圖9　接收組件的實測駐波曲線

以上所示曲線均為參考零態(tài)時測得。

根據(jù)實測結(jié)果，組件單通道增益典型值25 dB，噪聲系數(shù)典型值3.5 dB，駐波比小于1.5∶1，組件工作穩(wěn)定，通道間串?dāng)_小。

將采用平面微帶傳輸線的方案和盤旋同軸線的方案進(jìn)行測試對比，對比結(jié)果見表1,可見盤旋同軸線的方案優(yōu)勢顯著。

表1　兩種方案測試結(jié)果對比

5結(jié)束語

本文基于芯片組裝工藝、電裝工藝、機裝工藝，設(shè)計制作了一種集成電長度補償功能的五通道接收組件。組件工作在C頻段，集成了限幅、通道選擇、5位移相、5位衰減、電長度補償、信號合成、電壓轉(zhuǎn)換等功能，采用盤旋同軸線方案實現(xiàn)了最大635°的電長度補償。實測結(jié)果表明整個帶內(nèi)增益大于25 dB,噪聲系數(shù)典型值約3.5 dB,端口駐波比小于1.5∶1，總功耗780 mW，具有小型化、高集成、低功耗等特點，對類似的組件設(shè)計具有參考價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫海峰.Ka頻段小型化接收組件研究[D].西安：西安電子科技大學(xué),2014.SUN Haifeng.Research of Ka-band miniature reception module [D].Xi′an:Xidian University,2014.(in Chinese)

[2]王耀召，萬濤.四通道微波接收組件的設(shè)計毫米波有源相控陣TR 組件集成技術(shù) [J].現(xiàn)代導(dǎo)航，2013(1)：62-66.

WANG Yaozhao,WAN Tao.Design of four-channel microwave receiving module [J].Modern Navigation，2013(1)：62-66.(in Chinese)

[3]SMITH D G，HESTON D D，ALLEN D L.Designing high-power limiter circuits with GaAs PIN diodes[C]//Proceedings of 1999 IEEE MTT-S Internaticnal Microware Symposium Digest.Anahein,CA,USA:IEEE,1999：329-332.

[4]李倩.微波開關(guān)電路的設(shè)計與應(yīng)用[D].南京：南京理工大學(xué)，2015:30-41.

LI Qian.Design and application of microwave switch circuit[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2015:30-41.(in Chinese)

[5]GREBENNIKOV A.Power combiners,impedance transformers and directional couplers[J].High Frequency Electronics,2007,7(3):18-24.

[6]POZAR D M.微波工程[M].3版.張肇儀，周樂柱，吳德明，等,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2006.

POZAR D M.Microwave engineering[M].3rd ed.Translated by ZHANG Zhaoyi,ZHOU Lezhu,WU Deming,et al.Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2006.(in Chinese)

[7]方園.寬帶數(shù)控延時線芯片的研制 [D].成都：電子科技大學(xué),2011:16-32.

FANG Yuan.Design of broadband digital true time delay chip[D].Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China,2011:16-32.(in Chinese)

A C-band Five-channel Receiving Module with Electrical Length Compensation

JIA Yuwei,ZHANG Haoran,ZENG Zhi,PIAO Zhenzhen

(The 13th Research Institute of China Electronics Technology Corporation Group(CETC)，Shijiazhuang 050051，China)

Abstract：This paper presents the design procedure,operating principle and schematic of a C-band five-channel receiving module.Design scheme of each circuit is described,including electrical length compensation unit,channel selection unit,amplitude and phase control unit and signal combination unit.The method of twisted coaxial line is used to realise electrical length compensation,the maximum value of electrical length compensation up to 635 degree is realized.The receiving module has the function of limitation,channel selection,5-bit phase shift,5-bit attenuation,signal combination,voltage conversion and electrical length compensation.According test result,noise figure is 3.5 dB,gain is 25 dB,voltage standing wave ratio(VSWR) is 1.5∶1 and power dissipation is 780 mW.

Key words：C-band;microwave receiving module;electrical length compensation;five-channel;low power dissipation;three to one combiner

doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2016.06.018

收稿日期：2016-02-24；修回日期：2016-05-04Received date:2016-02-24；Revised date：2016-05-04

通信作者：jiayuwei19@163.comCorresponding author：jiayuwei19@163.com

中圖分類號：TN802

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-893X(2016)06-0697-05

作者簡介：

賈玉偉(1982—)，男，河北昌黎人，2005年于西安電子科技大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事微波混合集成電路及微波模塊電路的研究開發(fā)工作；

JIA Yuwei was born in Changli,Hebei Province,in 1982.He received the B.S. degree from Xidian University in 2005.He is now an engineer.His research concerns microwave hybrid integrated circuit and microwave modules.

Email：jiayuwei19@163.com

張浩然(1989—)，男，四川巴中人，2013年于電子科技大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事微波混合集成電路及微波模塊電路的研究開發(fā)工作；

ZHANG Haoran was born in Bazhong,Sichuan Province,in 1989.He received the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2013.He is now an engineer.His research concerns microwave hybrid integrated circuit and microwave modules.

曾志(1979—)，女，廣西來賓人，2002年于電子科技大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要從事微波單片集成電路的研究開發(fā)工作；

ZENG Zhi was born in Laibin,Guangxi Zhuangzu Autonomous Region,in 1979.She received the B.S. degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2002.She is now a senior engineer.Her research concerns design of MMIC.

樸貞真(1983—)，女，黑龍江哈爾濱人，2009年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事微波混合集成電路及微波模塊電路的研究開發(fā)工作。

PIAO Zhenzhen was born in Harbin,Heilongjiang Province,in 1983.She received the M.S.degree from Harbin Institute of Technology in 2009.She is now an engineer.Her research concerns microwave hybrid integrated circuit and microwave modules.

引用格式：賈玉偉，張浩然，曾志，等.一種集成電長度補償功能的C頻段五通道接收組件[J].電訊技術(shù)，2016,56(6):697-701.[JIA Yuwei,ZHANG Haoran,ZENG Zhi,et al.A C-band five-channel receiving module with electrical length compensation[J].Telecommunication Engineering,2016,56(6):697-701.]