應用于相控陣收發組件的射頻微波集成電路設計探討

張旺 南京恒電電子有限公司

應用于相控陣收發組件的射頻微波集成電路設計探討

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微波單片集成電路作為電子技術的重要組成部分，在各種電子設備當中發揮著重要作用，因此，微波單片集成電路已被廣泛應用于各種高技術裝備當中。本文首先介紹了射頻微波集成電路應用于相控陣收發組件的設計優點，以GaN工藝為設計基礎，設計射頻微波基礎電路，最終達到了微波控制器件通過數字電平直接控制的效果。

射頻微波集成電路 相控陣收發組件 GaN工藝 應用設計

微波單片集成電路擁有許多優點，當其應用于電子設備時可以有效降低設備的重量、體積，而且還可有效提高電子設備的運行穩定性。因此，微波集成電路在諸如戰術導彈、電子戰系統以及通信設備等各種高技術軍事設備中被廣泛應用[1]。

1 射頻微波集成電路在相控陣收發組件中的技術優勢

1.1 收發效率高，射頻損耗低

由于微波集成電路原本自帶的收發組件可以直接與天線連接，因此雷達信號的收發頻率損耗可以被有效降低。通常其射頻損耗與無源相控相比要降低6dB—10dB，因此也就相當于靈敏度增加了6dB—10dB，所以雷達最大探測距離擴大了近65%—75%。

1.2 提高雷達分辨率，實現雷達小型化

通常有源相控陣雷達的信號帶寬可以達到載波信號帶寬的1/5，但是無源相控陣雷達信號帶寬最大值同比僅為1/10。因此，有源相控陣雷達的頻率相比無源而言更高。信號帶寬的提高使得雷達的抗干擾能力得到增強。相控陣雷達中采用微波集成電路，其體積和重量被顯著降低，成本也隨之得到控制[2]。

1.3 可靠性增強

在有源相控陣雷達當中，應用了大量T/R組件，當有10%的T/R組件出現故障時，雷達探測距離不會受到明顯影響。當有5%的T/R組件出現故障時，副瓣電平變差不顯著。因此，有源相控陣雷達系統的可靠性更強。

2 微波集成電路設計中GaN工藝的應用

2.1 設計優勢

目前，在軍事和通信領域中射頻微波單片集成電路發揮著巨大作用，已經成為相關領域不可或缺的重要組成部分。在軍事領域中，化合物半導體的應用占據著主導地位。而GaN則是一種非常具有應用潛力半導體材質。以GaN為基礎的信號收發系統的擊穿電壓大、工作電壓高、收發容量功率高，并且不需要配置限幅器，從而使得系統得到簡化，性能和可靠性得到提升。

2.2 電路設計

控制數字電路的信號有兩種輸出方式，即TTL電平和SPI轉換。高速控制裝置一般由TTL電平實現控制。以GaN和GaAs為基的半導體器件可實現以耗盡型晶體管作為開關，通過對TTL電平電路的轉換可以使TTL電壓轉換為可控耗盡型，GaN基HEMT射頻開關的開啟與閉合兩種互補的電路作為輸出的電壓。耗盡型器件可以滿足數字電路使用需求，但是需要通過增強型（E模）來實現電路的功能。常見的E模有n型增強型器件等，常用的結構包括F等離子體處理增強型器件、刻蝕槽柵結構、薄勢壘結構以及pn結構等。pn結構器件的擊穿電壓相對較大，溝道與柵金屬較遠，所以pn結構器件的跨導和飽和電流均較小。因此F離子體注入式增強型器件被廣泛應用。

GaN基增強型器件的發展促進了增強和耗盡型器件的快速發展。Curtice2模型作為電路仿真模型的重要原型，其主要由肖特基二極管和增強/耗盡型HEMT兩種器件構成，其電源電壓值為±5V，有反向器結構和差分轉換結構兩種結構的電平轉換電路。由于E/D模技術直接與差分結構的性能相聯系，并且實驗室中GaN的技術需要進一步優化，因此，反相器結構的邏輯性更能滿足要求。圖1顯示了電平轉換電路的拓撲結構。

圖1 電平轉換電路拓撲結構示意圖

低電平狀態時，輸入端VIN的電壓小于0．4V，則無法滿足增強型晶體管導通閾值所需要的電壓，T2斷開，溝道電阻持續升高。耗盡型晶體管T1與二極管直接相連，因此二極管的狀態始終是絕對導通，晶體管T2則是占用了大部分的壓降，由于VDD與T3的柵極電壓較為接近，因此T3同T2一樣處于導通狀態。利用4個肖特基二極管降低電壓，則V0UT1電壓輸出值為0V，此時，晶體管T6完全導通，將T5輸出電壓調整至0V，使得晶體管T6的溝道電阻低于T5，晶體管T7和T8溝道電阻較小，降低T7輸出電壓，則V0UT2輸出的電壓維持在-4V附近。高電平時，輸入端VIN電壓大于2．7V，T2完全導通，溝道電阻很大。當T3關閉，柵極電壓近似為0，T4與4個肖特基二極管并聯，電壓較低，通過調整T4的尺寸，保證V0UT1的輸出電壓穩定在-4V左右，晶體管T8處于關閉狀態，T7導通，利用二極管降低電源VDD電壓至0V，電平的轉換得以實現。

3 結束語

通過將肖特基二極管與反相器的串聯構建的電平轉換電路，利用柵層金屬將肖特基二極管連接，使得整個工藝得到極大簡化，提升了系統整體性能，因此，射頻微波集成電路應用前景廣闊。

[1]李明.雷達射頻集成電路的發展及應用[J].現代雷達,2012,34(9):8-15.

[2]李士鵬,黃善國,張杰,等.智能光網絡的分布式和動態網絡管理[J].光通信技術,2010,34(7):1-3.

張旺，1984.07，男，漢，江蘇鹽城阜寧，本科，助理工程師，目前從事微波射頻電路方面的研究。