應用于相控陣收發組件的射頻微波集成電路設計探討

摘要：微波單片集成電路非常重要，目前已經在各類高技術裝備中得到了廣泛的應用。文章首先對相控陣收發組件射頻微波集成電路的設計優點進行了介紹，然后基于GaN工藝基礎進行射頻微波集成電路的設計，取得了良好的設計效果，實現了數字電平直接對微波控制器件的控制。

關鍵詞：相控陣收發組件；射頻微波；集成電路設計；GaN工藝；高技術裝備 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP391 文章編號：1009-2374（2016）35-0009-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.35.005

當前，微波單片集成電路已經在各類高技術裝備中得到了廣泛的應用，例如電子戰系統、戰術導彈、通信系統等。電路系統作為相控陣雷達的基礎，電路組件的各個指標均會對雷達技術的發展造成影響，性能指標也影響著雷達的技術標準，體積和重量對雷達的成本、穩定性和小型化以及應用前景也有比較大的影響。而基于微波集成電路的設計可以有效降低雷達的重量、縮小雷達的體積、提高雷達的穩定性。

1 相控陣收發組件中應用射頻微波集成電路的意義

1.1 射頻損耗比較低，接收或者是發射的效率比較高

原來就有收發組件的可以直接連接天線，也可以直接做到天線上，從而使接收或者是發射信號的頻率損耗得到有效控制。一般情況下，射頻損耗要比無源相控小6～10dB，也就是靈敏度被提升了6～10dB，因此，在同樣的發射功率下，雷達的最大探測距離會被提升70%左右。

1.2 提升了雷達分辨率

一般情況下，有源相控陣的信號帶寬能夠達到載波信號的1/5，而無源相控陣信號帶寬的最大值僅為1/10左右，這就可以發現，有源相控陣雷達比無源相控陣雷達的頻率高出很多。信號帶寬增加以后，會給敵方跟蹤造成嚴重的干擾，從而使雷達的抗干擾能力得到不斷的提升。

1.3 實現了小型化和輕質化

單片微波集成電路被采用后，使雷達的體積得到了有效的縮減，使雷達的重量得到降低，從而使雷達成本得到了有效控制。

1.4 提高了可靠性

許多T/R組件分布在有源陣里，T/R組件出現問題的數目在10%左右的時候，雷達距離變化不明顯；問題數目在5%之內的時候，副瓣電平變差不明顯，所以有源相控陣雷達系統要比無源相控陣雷達系統的可靠性高出一個數量級。

1.5 多功能性

多個接收波束的自適應控制以及數字波束的構成都可以得到較好的實現，還可以將多功能進行較好的實現。

2 氮化鎵工藝在射頻微波集成電路設計中的應用

2.1 設計優點

在國民經濟中，射頻微波單片集成電路發揮的作用至關重要，尤其是在軍事領域和通信領域中所發揮的作用特別重要。在民用通信行業中，硅基CMOS的RFIC占據著核心位置，尤其是在無線局域網中應用最為普遍，如今在軍事領域中占據主導位置的則是化合物半導體。化合物半導體器件中磷化銦（In P）和砷化鎵（Ga As）的特征頻率基本可以實現280GHz，然而兩種材質的輸出功率比較有限，磷化銦（In P）的最佳值為1.5W/mm@30GHz，砷化鎵（Ga As）的最佳輸出功率值可以達到1.4W/mm@8GHz，這些材料的最佳輸出值已經與極限值比較接近了。在高頻無線通信領域里，尤其是雷達系統中，過去的窄禁帶半導體已經接近被淘汰的邊緣。

此外，在使用SiC材質的時候，其加工難度要比其他半導體材質高出很多，過去的離子束注入和刻蝕已經無法滿足需要了，所以在使用微波功率的時候，Ga N材質越來越受到人們的歡迎。Ga N材質不但在微波功率領域中得到廣泛的使用，還在微波低噪聲領域得到了不斷的使用，以往的收發系統里，在接收機的前端會安裝限幅器，以此來確保接收機的安全可靠，同時給低噪音放大器提供保護，使其不會受到超大射頻信號的干擾。Ga N基收發系統擊穿電壓值比較大、工作電壓比較高，能夠接收較大的功率容量，所以能夠在Ga N基收發系統中取消限幅器，從而使系統更加的簡便，使其性能得到不斷提升。

2.2 電路設計

數字電路控制信號主要包括SPI轉換和TTL電平兩種輸出形式，一般情況下，TTL電平控制著高速控制裝置。對于將耗盡型晶體管當作開關的有些化合物半導體器件來說，主要使用Ga N和Ga As來進行實現，需要使用關斷電壓、晶體管導通以及TTL控制信號進行良性轉換。要想使TTL電壓轉換成可控制耗盡型就需要轉換TTL電平電路，主要的輸出電壓為Ga N基HEMT射頻開關的啟動和關閉兩種互補型電路。經常使用的兩組TTL電壓值分別為3.3V和5V，日常使用到的TTL電平基本都是3.3V的，耗盡型Ga N晶體管的夾斷閾值基本都是-2.5V，晶體管要想實現全部導通，其電壓值一定要在-1V以上，實現全部開斷的最佳電壓值要在-3V以內，所以輸出電壓值的最佳范圍為-4～0V之間。

在數字電路使用的過程中，耗盡型器件已經基本滿足需要，要想使電路功能得以實現，需要使用增強型（E模）來完成，比如n型增強型器件等，關鍵性的結構有F等離子體處理增強型器件、pn結構、刻蝕槽柵結構以及薄勢壘結構等。薄勢壘結構器件的閾值電壓都不高，受勢壘層比較薄的影響，使得溝道載流子濃度都不高，進而使器件的飽和電流值都非常小；受刻蝕槽柵結構的精準度的影響，使得刻蝕深度技術很難實現，該技術的重復性不是很好，柵漏電比較突出，刻蝕損傷比較嚴重；pn結構器件擊穿電壓比較強，柵金屬和溝道比較遠，因此器件飽和電流和跨導不大，使得F離子體注入式增強型器件結構得到了普遍使用，該技術是由香港科技大學陳敬和蔡勇發明的，該技術重復性比較高，技術比較簡單，對F等離子體的注入條件進行改變可以實現對調控器件閾值電壓的控制。詳見圖1所示：

增強/耗盡型器件技術的不斷發展與Ga N基增強型器件的發展有著直接的關系，西安電子科技大學在國防重點實驗室使用寬帶隙半導體技術對Ga N E/D模技術進行了不斷的研究，從而得到了本文的主要研究內容，即TTL電平轉換電路。Curtice2模型是主要的電路仿真模型原型，器件主要有肖特基二極管和增強/耗盡型HEMT兩個組成部分，電源電壓值為+5V或者-5V，電平轉換電路的種類為反相器結構和差分轉換結構。實驗室Ga N技術需要不斷改進，差分結構性能與E/D模技術有著直接關聯，所以使用反相器邏輯更加合理。電平轉換電路拓撲結構如圖2所示：

輸入端VIN的電壓低于0.4V時，即為低電壓，使得T2增強型晶體管的導通閾值電壓得不到滿足，T2晶體管就會自動斷開，促使溝道電阻不斷變大。二極管連接的是T1耗盡型晶體管，使其一直處于絕對導通狀態，T2晶體管消耗了絕大多數的壓降，T3的柵極電壓與VDD比較接近，使得T3被完全導通。此時通過四個肖特基二極管將電壓降低，使得VOUT1輸出電壓的電壓值為0V。當VOUT1的電壓值是0V的時候，T6晶體管被完全導通，為了使T5晶體管比T6晶體管的溝道電阻大，就需要將T5的輸出電壓設計成為0V，這時T8晶體管比T7晶體管的溝道電阻小，通過二極管將T7輸出電壓降低，輸出VOUT2的低電壓值與-4V比較接近。輸入端VIN電壓比2.7V大時，即為高電平，此時T2增強型晶體管被完全導通，溝道電阻非常低。T3關閉的時候，其柵極電壓值與0V比較接近，四個肖特基二極管與T4實現并聯，從而將電壓值降低，T4的尺寸一定要科學，確保VOUT1的輸出電壓值達到-4V，此時T6晶體管完全關閉，T5輸出的電壓值為高電平值，T8被完全關閉，T7實現導通，通過二極管將電源電壓VDD進行降壓處理，使其達到0V，這就使得電平轉換全部完成，詳見圖3所示。為了使耗盡型微波器件得到有效控制，電路就要將TTL電平轉換成一組差分輸出電壓信號，其高、低電平分別為0V和-4V。

3 結語

綜上所述，該電平轉換電路將肖特基二極管和反相器串聯到一起，然后使用器件的柵層金屬作為互聯結構，將肖特基二極管連接起來，省去了多層金屬互聯，工藝流程簡化，布線也得到了進一步簡化。

參考文獻

[1] 李明.雷達射頻集成電路的發展及應用[J].現代雷達，2012，（9）.

[2] 李士鵬，黃善國，張杰.智能光網絡的分布式和動態網絡管理[J].光通信技術，2010，（7）.

[3] 支傳德，楊華中，汪蕙.CMOS射頻功率放大器的設計方法[J].電子技術應用，2006，（9）.

作者簡介：陳森（1982-），男，遼寧人，中國電子科技集團公司第二十九研究所工程師，碩士，研究方向：射頻微波。

（責任編輯：黃銀芳）