K波段幅相控制多功能MMIC的設計與實現

張超+陳月盈

摘 要：基于GaAs 襯底增強/耗盡型贗（E/D） 工藝設計了K波段幅相控制多功能MMIC。該芯片對接收增益波動大采取了2bit微調數控衰減器的改善措施，同時內部集成放大器，數控衰減器，數控移相器等常用功能。測試結果表明：接收支路增益≥3dB，輸出1dB壓縮點≥1dBm； 發射支路增益≥5dB，輸出1dB壓縮點≥4dBm；移相RMS≤5°，衰減RMS≤0.6dB。

關鍵詞：增強/耗盡型pHEMT；幅相控制多功能；數控移相器；單刀雙擲開關；數控衰減器

中圖分類號：TN43 文獻標識碼：A

0.引言

近幾年多功能MMIC得到了較為廣泛的應用，其優點在于集成度高，可使接收或發射組件的可靠性和生產效率顯著提高。然而整機對功率、頻率及性能的不斷追求，對于多功能MMIC也面臨不小的挑戰。

本文基于GaAs E/D工藝設計并實現了K波段幅相控制多功能MMIC。該芯片對接收增益波動大采取了2bit微調數控衰減器的改善措施，實現了接收支路增益≥3dB，輸出1dB壓縮點≥1dBm； 發射支路增益≥5dB，輸出1dB壓縮點≥4dBm；移相RMS≤5°，衰減RMS≤0.6dB。

1.多功能MMIC的設計

多功能MMIC的設計包含：整體拓撲設計、開關設計、數控移相器設計、數控衰減器設計和放大器設計5個主要部分，然后通過仿真，版圖布局最終完成多功能MMIC的設計。

1.1 多功能MMIC的拓撲

該芯片采用拓撲結構如圖1所示，集成了3個放大器、6位數控移相器、6位數控衰減器、2位接收微調數控衰減器、4個單刀雙擲開關組合、16位并口驅動器。該電路特點：集成度高，隔離度高，功耗低。

1.2 開關的設計

開關在多功能MMIC中起到信號選擇導通的作用，用來控制信號的接收或發射鏈路，開關的插入損耗、速度及隔離度等指標的好壞直接影響多功能MMIC的指標。

開關的等效電路模型如圖2所示。其原理如下：通過調整Vgs的電壓來控制Rds、Cds的大小達到開關的開態或者關態。

目前流行的開關拓撲為串并聯結構如圖3所示，其特點：結構簡單、小型化、指標優秀。該芯片采用了串并聯結構。

通過調整V1、V2的電壓實現對收發通道的選擇。

1.3 數控移相器的設計

移相器在多功能MMIC中起到調相作用，用來控制雷達的方向角，移相器的調相精度直接影響多功能MMIC的指標。

其原理如下：通過控制開關，改變移相位為參考態或移相態，達到調相的目的。

目前比較常用的拓撲結構有加載線式、開關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，其特點集成度高，小型化，可做寬帶應用。本文的數控移相器為六位，最小步進5.625°，并由6個基本態組成（5.625°、11.25°、22.5°、45°、90°、180°），基本態移相電路結構有如下幾種：

5.625°移相位采用圖4的并聯型結構，其結構簡單，損耗小。11.25°和22.5°采用圖5的單T型結構。 45°、90°和180°采用圖6的高低通型結構，其結構特點可大幅度減小芯片面積。同時該結構適用于大移相位，相移和插損在帶寬內波動幅度較小。

1.4 數控衰減器的設計

數字衰減器常用的拓撲結構有簡T型和π型，如圖7、圖8所示。單態衰減設計應盡量選擇損耗小、精度高、小型化的結構。本設計中0.5dB和1dB采用簡T電路結構，2dB、4dB、8dB采用π型電路結構，16dB采用兩個8dB結構串聯實現。數字衰減器的拓撲如圖9所示。

1.5 放大器設計

放大器在多功能MMIC中用于電路插入損耗的補償，同時具備一定的輸出功率，用來驅動發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，電路拓撲結構如圖10所示。電路采用自偏壓結構，電源電壓+5V。基于GaAs大信號模型進行了電路匹配。在設計中重點關注了功率管源極的對地電容，其寄生效應會引起源極負反饋，通過電磁場仿真消除了此影響，并成功地應用在多功能MMIC中。

2.多功能MMIC的版圖設計

幅相控制多功能MMIC，采用軟件完成電路的仿真和整體版圖。設計數字移相器和數字衰減器的版圖中，重點考慮輸入輸出匹配，減小插損；對于駐波敏感的衰減態及移相態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、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，利用電磁場仿真優化功能，改進多功能版圖布局，重點考慮減小各功能電路間的耦合、串擾、兼容等影響，同時改良布局達到縮小芯片尺寸的目的。

最后生成偏置版圖，主要為饋電、串并轉換等電路，饋電電路主要做好濾波功能，盡可能進行濾波組合，控制電壓重點做好過壓過流保護電路和防靜電保護電路，提高數字電路的可靠性。

3.工藝實現與測試

本文基于GaAs E/D工藝實現了幅相控制多功能MMIC。該工藝可實現微波電路和數字驅動電路一體化設計。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。該芯片有收發公共端口（芯片左側）、發射輸出端口（芯片上側）、接收輸入端口（芯片下側），饋電及數控端口（芯片右側）。

通過矢量網絡分析儀和微波探針系統對多功能MMIC進行了圓片測試，主要電性能測試結果如圖12～圖15所示。加電+5V下靜態電流48mA，加電-5V下靜態電流13mA。

圖12為多功能MMIC在接收/發射狀態下的信號增益，在整個工作頻帶內發射增益大于5 dB，接收增益大于3 dB；接收/發射增益呈現正斜率2 dB。

圖13為多功能MMIC在接收/發射狀態下的信號輸出P-1dB，在整個工作頻帶內發射輸出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/發射狀態下的移相64態RMS和衰減64態RMS，在整個工作頻帶內移相64態RMS最大5°，衰減64態RMS最大0.6dB。

結論

本文基于GaAs E/D工藝設計并實現了K波段幅相控制多功能MMIC。該芯片內部集成單刀雙擲開關、6位數控移相器、6位數控衰減器、2位接收微調數控衰減器、放大器和16位幅相控制并口驅動。該芯片收發狀態下移相64態RMS≤5°，衰減64態RMS≤0.6dB，尺寸為3.5mm×4.8mm。該芯片可用于微波收發組件，實現對接收和發射信號的幅相控制。

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