GaAs毫米波雙路數(shù)控衰減器MMIC

摘? 要：基于GaAs E/D贗配高電子遷移率晶體管（PHEMT）工藝，設(shè)計并實現(xiàn)了一款毫米波雙路數(shù)控衰減器。芯片上集成了兩個4位數(shù)控衰減器、一分二功分器和8位數(shù)字驅(qū)動器。重點介紹了射頻電路數(shù)控衰減器和功分器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計。該芯片測試結(jié)果顯示在26～32 GHz頻段內(nèi)，芯片插入損耗小于6 dB，衰減均方根誤差小于0.5 dB，衰減附加相移小于±5°，輸入輸出電壓駐波比小于1.6：1，工作電流小于6 mA。芯片尺寸僅為2.00 mm×2.00 mm×0.07 mm。

關(guān)鍵詞：GaAs E/D贗配高電子遷移率晶體管（PHEMT）；單片微波集成電路（MMIC）；毫米波；雙路數(shù)控衰減器

中圖分類號：TN43? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）11-0061-04

A GaAs Millimeter Wave Double-Circuit CNC Attenuator MMIC

DING Hongsha

（The 13th Research Institute of CETC， Shijiazhuang? 050051， China）

Abstract： A millimeter wave double-circuit CNC attenuator is designed and implemented based on the GaAs E/D Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor （PHEMT） process. The chip is intergrated with two 4 bit CNC attenuators， a power divider and 8 bit digital dirver. The topological structure design of radiofrequency circuit CNC attenuator and power distributor are emphatically introduced. The chip measurement results show that 26～32 GHz， the insertion loss of the chip is less than 6 dB， the attenuator root mean square error is less than 0.4 dB， the phase error is less than±5°，the input and output voltage standing wave ratio is less than 1.6：1， and working current is less than 6 mA. The chip size is 2.00 mm×2.00 mm×0.07 mm.

Keywords： GaAs E/D Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor; Monolithic Microwave Integrated Circuit; millimeter wave; double-circuit CNC attenuator

0? 引? 言

微波單片集成電路具有小體積、低成本、高可靠性等優(yōu)點，已在軍用電子、民用電子產(chǎn)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。近幾年來，毫米波電路對無線通信系統(tǒng)的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。微波毫米波目前的發(fā)展趨勢是高頻段，高集成、高性能、小型化和低成本等。雷達(dá)與通信系統(tǒng)需要考慮的主要因素是元器件的尺寸和性能?？杉?、高性能的無源元器件與微波毫米波單片集成電路是目前系統(tǒng)集成化研究的主流方向，衰減器被廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)等領(lǐng)域，是收發(fā)組件中必不可少的組成部分。由于雷達(dá)與通信系統(tǒng)中需要成千上萬個收發(fā)組件，所需的數(shù)字衰減器的數(shù)量是極大的，因此提高數(shù)控衰減器的集成度就變得至關(guān)重要[1]。這樣不僅能夠便于組件裝配提高整體性能，也能減小組件尺寸降低成本。

數(shù)控衰減器的每個衰減位都需要單獨的控制電平，大衰減量的衰減位則需要一對互補(bǔ)控制電平，這樣控制壓點的數(shù)量多，使用操作性差。傳統(tǒng)的數(shù)控衰減器一般需要外加數(shù)字驅(qū)動器，增加了設(shè)計的復(fù)雜性，而將數(shù)字驅(qū)動器與衰減器集成的電路，使用方便靈活[1]。一般的微波組件收發(fā)系統(tǒng)都是多通道的，通道一致性是組件性能的一個重要衡量指標(biāo)，而使用單通道芯片的組件一致性需要不斷進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，加大了設(shè)計、調(diào)試的工作量。多通道的電路設(shè)計就很好地解決了這一問題，不僅提高了通道的一致性，還能縮小組件的尺寸。因此設(shè)計了一款雙路數(shù)控衰減器，芯片集成了數(shù)控衰減器、功分器和數(shù)字驅(qū)動器，芯片最大衰減量15 dB，步進(jìn)1 dB，采用0 V/5 V的TTL控制電平，僅有4個控制端口，減少了控制壓點的數(shù)量，方便鍵合使用。芯片尺寸僅為2.00 mm×2.00 mm×0.07 mm。該芯片主要應(yīng)用于微波收發(fā)組件，實現(xiàn)收發(fā)信號的幅度控制功能。

1? 電路結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計

本文設(shè)計的雙路數(shù)控衰減器集成了兩個4位數(shù)控衰減器、一分二功分器和8位數(shù)字驅(qū)動器，電路功能框圖如圖1所示。芯片共有三個射頻端口，可以實現(xiàn)兩路數(shù)控衰減器同時工作。

數(shù)控衰減器一般由開關(guān)器件、薄膜電阻和微帶線組成。四位數(shù)控衰減器由4個單一的衰減位級聯(lián)。電路設(shè)計時，根據(jù)不同的衰減位選擇合適的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了減少控制位，集成了串行驅(qū)動器。同時為了實現(xiàn)雙通道，集成了功分器。

1.1? 功分器的設(shè)計

功分器是在現(xiàn)代通信中廣泛應(yīng)用的無源器件。在微波電路中，功分器是將一路功率按照一定比例分為兩路或多路分支。功分器的主要種類可以分為兩種，一種是微帶結(jié)構(gòu)的，它具有成本低、體積小、性能穩(wěn)定、更容易與有源電路集成等優(yōu)點[2]。而另一種是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的，具有高功率容量、低損耗、較寬的帶寬等優(yōu)點，但是體積大，不利于集成仍是制約它的發(fā)展的因素。本文中使用的功分器需要與有源電路集成，且電路需要應(yīng)用在毫米波頻段，所以選擇微帶結(jié)構(gòu)的威爾金森功分器。此類功分器結(jié)構(gòu)簡單，易于集成，且具有良好的隔離性能[3]。

本文中所用的功分器是將一路信號按照相同的比例分為兩路，即兩等分功分器。兩路分配的固有損耗都是3 dB。威爾金森功分器的結(jié)構(gòu)是在簡易功分器中引入了隔離電阻，克服了普通的無損耗互易三端口結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn)的完全匹配問題，從而實現(xiàn)了端口的匹配以及輸出兩端口之間的隔離，滿足了工程需要，原理圖如圖2所示。威爾金森功分器是一個有耗的三端口網(wǎng)絡(luò)，連接輸入與輸出端的傳輸線長度為四分之一波長。此功分器的指標(biāo)主要包括：輸入輸出端口的電壓駐波比、兩個輸出端口間的隔離度、兩路的相位一致性、插入損耗等。

假設(shè)與隔離電阻連接的傳輸線長度為L，特征阻抗為Z0，威爾金森功分器中的隔離電阻R的阻值可以通過式（1）得出：

式中β為傳輸線L的相位常數(shù)。

根據(jù)電路原理圖及薄膜電阻的模型，在ADS仿真軟件中對威爾金森功分器進(jìn)行設(shè)計。功分器的實現(xiàn)主要是微帶線和薄膜電阻，為了縮小版圖的尺寸，在仿真時不僅要考慮微帶線的長度，也要考慮微帶線的折疊方式。根據(jù)整體電路布局選擇最優(yōu)的走線方式。原理圖仿真完成后，為了與實際生產(chǎn)的電路性能更相符，需要進(jìn)行電磁耦合仿真，尤其是毫米波頻段電路，微帶線間距直接影響了電路性能。仿真后實現(xiàn)了一款滿足本設(shè)計需要的一分二威爾金森功分器。功分器在26～32 GHz頻段內(nèi)，輸入輸出電壓駐波比小于1.5，兩輸出端口間的隔離度大于25 dB，插入損耗小于0.5 dB。集成在雙路數(shù)控衰減器中，實現(xiàn)了良好的端口匹配和端口隔離性能。

1.2? 數(shù)控衰減器的設(shè)計

砷化鎵異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管是目前常用的PHEMT器件，該晶體管采用的是T型柵結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)減小了柵電阻，提高了柵極擊穿電壓。本文設(shè)計的數(shù)控衰減器選用砷化鎵PHEMT場效應(yīng)晶體管作為開關(guān)器件，控制端為柵極，通過改變柵極電壓來控制開關(guān)的工作狀態(tài)[4]。開關(guān)管的夾斷電壓在-1 V左右，當(dāng)柵級控制電壓為0 V時，開關(guān)管是導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)柵級控制電壓為-5 V時，開關(guān)管是關(guān)斷狀態(tài)。在不同的柵極控制電壓下，傳輸信號經(jīng)過不同的路徑，兩條路徑下的插入損耗不同，產(chǎn)生的差值即定義為衰減量[5]。

本文設(shè)計的數(shù)控衰減器由1 dB、2 dB、4 dB和8 dB組成，四個基本衰減態(tài)級聯(lián)組成步進(jìn)為1 dB，最大衰減量為15 dB的衰減器。數(shù)控衰減器常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有簡T型、π型和橋T型。一般低頻段的數(shù)控衰減器小衰減位采用的是簡T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，大衰減位采用的是π型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6]。而對于毫米波數(shù)控衰減器大衰減位采用π型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅衰減精度和附加相移指標(biāo)差，而且電路插入損耗也大，一般不能滿足工程需要[7]。所以毫米波數(shù)控衰減器大衰減位采用N個簡T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)級聯(lián)實現(xiàn)。這樣既可以保持單元電路的延續(xù)性，又改善了電路的各個性能。

本文電路中的數(shù)控衰減器0.5 dB位采用的是簡T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)具有衰減量小、易于仿真、插入損耗小等優(yōu)點。簡T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以等效為并聯(lián)一個電阻R，其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中Rgs為晶體管柵極串聯(lián)電阻；R1為數(shù)控衰減器所需的薄膜電阻。

簡T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的等效電路如圖4所示。

假設(shè)圖4對稱兩端口的等效電路圖的外接微帶線的特征阻抗為Z0，根據(jù)插入損耗與反射系數(shù)S21的關(guān)系L0 = 20lg | S21 |，以及理想狀態(tài)下端口的匹配要求10lg | S21 | = -∞，可以求得拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的電阻值。

簡T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的R1初始值可以通過式（2）得出：

式中：Z0為特征阻抗，阻值為50 Ω；L0為插入損耗。

2 dB、4 dB、8 dB衰減位采用N個簡T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)級聯(lián)的方式實現(xiàn)，其中2 dB衰減位采用2個簡T型網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)，4 dB衰減位采用3個簡T型網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)，8 dB衰減位采用5個簡T型網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)。同時為了實現(xiàn)低衰減附加相移，需要在接地通路串聯(lián)一個電容。電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

根據(jù)場效應(yīng)晶體管模型、各元器件模型以及選定的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在ADS仿真軟件中對數(shù)控衰減器進(jìn)行設(shè)計。在進(jìn)行電路仿真優(yōu)化設(shè)計時，要調(diào)整合適的微帶線長度、薄膜電阻大小，方便后期的版圖制作。設(shè)計好每個基本的衰減位后，再進(jìn)行4位衰減位的級聯(lián)仿真優(yōu)化，考慮電壓輸入輸出駐波，要將對外界不敏感的衰減位2 dB/4 dB分別排列在射頻輸入輸出端口。版圖布局時，要考慮毫米波電路耦合大的影響，要避免微帶線的交叉，盡量拉大兩條平行微帶線之間的距離，同時接地的端口應(yīng)就近通過通孔連接到背面金屬。最后進(jìn)行4位衰減器級聯(lián)的全版圖電磁場仿真，根據(jù)電磁仿真對各個元器件參數(shù)值進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，最后完善整體版圖，完成數(shù)控衰減器的設(shè)計。

將設(shè)計的功分器、數(shù)控衰減器以及現(xiàn)有的數(shù)字驅(qū)動器進(jìn)行整體的版圖設(shè)計。設(shè)計不僅要考慮芯片整體布局尺寸，也要能實現(xiàn)探針臺在片測試。將數(shù)字驅(qū)動器的輸出端口與數(shù)控衰減器的控制端口用微帶線進(jìn)行互聯(lián)，串入打碼實現(xiàn)電路衰減功能。最終實現(xiàn)了尺寸僅為2.00 mm×2.00 mm的版圖。

2? 工藝實現(xiàn)與測試結(jié)果分析

本文設(shè)計的雙路數(shù)控衰減器MMIC采用GaAsE/D PHEMT工藝技術(shù)制作，除鍵合區(qū)外芯片表面進(jìn)行鈍化保護(hù)。該工藝包含了D模FET和E模FET，采用GaAs異質(zhì)結(jié)外延材料制造，可以將微波射頻電路和數(shù)字驅(qū)動電路集成在同一個芯片上。其主要工藝步驟包括有源區(qū)器件制作、源漏歐姆接觸制作、電子束光刻柵制作、背面接地孔制備和鈍化保護(hù)等。設(shè)計的GaAs毫米波雙路數(shù)控衰減器MMIC芯片尺寸為2.00 mm×2.00 mm，控制壓點僅有4個，驅(qū)動器電路采用-5 V電源電壓，TTL控制電平0 V/5 V，輸入輸出采用GSG壓點，實現(xiàn)了微波探針在片測試及后期的組件應(yīng)用。

通過微波探針系統(tǒng)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對雙路數(shù)控衰減器芯片進(jìn)行了三端口在片測試。圖6為16態(tài)衰減均方根誤差（RMS16）測試曲線，圖7為插入損耗（IL）測試曲線，圖8為16態(tài)衰減附加相移（Phase）測試曲線，圖9為16態(tài)輸入輸出電壓駐波比（VSWR）測試曲線。

由圖6可以看出，在26～32 GHz頻帶內(nèi)，衰減的16態(tài)均方根誤差在0.1～0.4 dB之間。均方根誤差小，表明芯片的各個衰減位精度高、誤差小。由圖7可以看出，該雙路數(shù)控衰減器的插入損耗小于6 dB，此插入損耗是功分器和數(shù)控衰減器的零態(tài)插入損耗之和，其中包括功分器的固有損耗3 dB，電路的整體損耗較小。由圖8可以看出，16態(tài)的衰減附加相移小于±5°，相位一致性在毫米波頻段較有優(yōu)勢。由圖9可以看出，輸入輸出端口電壓駐波比小于1.6：1，具有良好的端口匹配，便于后期的組件使用。

由以上分析可知，該雙路數(shù)控移相器芯片在毫米波頻段各項指標(biāo)都能滿足現(xiàn)階段的工程需要，是一款實現(xiàn)了多功能、低成本的MMIC。

3? 結(jié)? 論

本文基于GaAs E/D PHEMT工藝，研究設(shè)計了一款26～32 GHz的毫米波雙路數(shù)控衰減器芯片。該芯片集成了串口驅(qū)動器以及威爾金森功分器。僅有4個控制端口，裝配使用靈活方便。該電路不同于傳統(tǒng)的衰減器結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了毫米波頻段低衰減附加相移、低插入損耗以及良好的端口匹配。探針臺在片測試結(jié)果表明，該雙路數(shù)控衰減器芯片在26～32 GHz頻率范圍內(nèi)，芯片插入損耗小于6 dB，衰減均方根誤差小于0.5 dB，衰減附加相移小于±5°，輸入輸出電壓駐波比小于1.6：1，工作電流小于6 mA。該毫米波衰減器集成電路的設(shè)計應(yīng)用于T/R組件中，可以有效縮小組件的尺寸，降低成本。

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作者簡介：丁紅沙（1985—），女，漢族，山東乳山人，工程師，碩士研究生，研究方向：微波集成電路設(shè)計。

收稿日期：2023-03-06