一種基于SiGe BiCMOS工藝的X波段4x4片上Butler矩陣設計

陶小輝 李莊 榮大偉 姜力暉 曹銳

摘要：本設計基于0.18 ym SiGe BiCMOS工藝設計了一款X波段Butler矩陣芯片。芯片由90。耦合器、移相器、交叉耦合器組成。詳細分析了芯片中個單元電路設計及可能存在的問題。測試結果表明，在9.5 -10.5 GHz的設計頻段內，可同時輸出4個波束，插入損耗小于2.5dB。

關鍵詞：波束形成;片上Butler矩陣;X波段

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）21-0217-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

隨著無線通信、雷達和電子對抗的迅速發展，寬帶波束成形技術越來越多地用于射頻或微波系統[1]。波束形成網絡是寬帶波束成形的核心技術之一，它是具有多個輸入端口和輸出端口的饋電網絡。激勵這些輸入端口以在輸出端口之間生成幾組相位系數，以實現不同的指向光束。波束成形網絡在很大程度上決定了多波束技術的發展程度。

由于Butler矩陣具有平衡的電磁路徑，自然具有寬帶特性，因此是寬帶波束形成網絡的首選電路形式。寬帶Butler矩陣發展趨勢小型化、高集成度、低成本、可重復性好、易于大規模生產等。因此利用硅基芯片工藝研制的片上Butler矩陣具有重要的現實意義和良好的應用前景。

2 芯片架構

在進行射頻集成電路設計的時候，首先就是要根據芯片的性能要求，兼顧成本、流片周期、工藝的準確度等因素，選定合適的工藝和代工廠。就目前的研究和商用情況來看，主要的RFIC工藝有：GaAs、SiGe BiCMOS、Si BJT、Si CMOS等。

GaAs工藝具有最佳的射頻性能，但其成本昂貴、難以大規模集成，主要用于設計性能要求高的射頻前端，如噪聲系數ldB左右的低噪聲放大器，輸出功率為瓦級的功率放大器等;SiCMOS射頻性能相對較差，但可以實現高集成度、低成本設計;SiGe工藝則是通常是在對芯片性能、成本和集成度折中時的選擇。

綜合權衡項目整體需求，選擇華虹宏力0.18μm SiGe BiC-MOS工藝實現本項目的芯片設計，4x4片上Butler矩陣設計指標如下：

（1）工作頻率：9.5GHz-10.5 GHz

（2）插入損耗：<2.5 dB

（3）旁瓣電平：<-10 dB

（4）芯片面積：<2 iTIIT12

4x4片上Butler矩陣主要電路模塊包括90°coupler、移相器、交叉耦合器等，具體架構如圖1所示。

3 芯片設計

下面分別介紹90°coupler、移相器、交叉耦合器單元電路設計。

3.1 90°耦合器電路單元設計

在4x4片上Butler矩陣的設計中，為提高集成度、減小芯片面積，對于90°耦合器電路模塊采用集總參數元件實現，其電路結構如圖2所示。該結構的性能指標在較寬的工作頻率范圍內均隨頻率線性變化，其特性與采用傳輸線搭建的相應結構相類似，可有效地保證Butler矩陣的寬帶性能。其中集總參數元件的取值為

故在9.5-10.5 GHz的工作頻率范圍內，取中心頻點IOGHz計算，可得：C1=318.9 fF.L1=562.7 pH，C2=131.3 fF

在仿真軟件平臺上，將計算所得的元件值賦于構成900耦合器電路的理想集總元器件，進行仿真。根據計算所得賦值的理想元器件構成900耦合器電路性能指標也是十分理想的。

將DesignKit中的電容和電感代人90°耦合器電路結構中進行仿真，而這些工藝庫中元器件的初始取值即為上一步仿真優化得到的理想元器件值。

通過仿真優化可知由于工藝庫元件寄生參數的影響，性能較理想元器件的900耦合器電路略有下降。

對于無源電路，電磁場仿真可以準確地獲取其電性能指標，故對90°耦合器電路而言，在完成版圖后應用電磁仿真工具進行電磁場分析，可知在9.5 GHz至10.5 GHz頻段內，輸出端口的相位差介于88°與90°之間。

3.2 移相器電路單元設計

片上Butler矩陣中的移相器電路模塊也采用集總參數元件實現，其電路結構如圖3所示。該結構所引入的相移在較寬的工作頻率范圍內均隨頻率線性變化，可有效地保證Butler矩陣的寬帶性能。

對于移相器電路模塊設計，直接選用工藝庫中的電容和電感按移相器的集總參數結構搭建電路進行仿真優化，獲取對應的移相要求。450移相器按中心頻率10GHz設計。

3.3 交叉耦合器電路單元設計

在4x4 Butler矩陣芯片電路中存在大量的傳輸線交叉現象，故為了保證Butler矩陣各端口之間的高隔離度，需要認真考慮傳輸線交叉結構的設計方法，擬采用CPW傳輸線交叉結構，而這種交叉結構既有效保證了傳輸線之間的隔離度，同時最大程度上保證了交叉結構處傳輸線的阻抗均勻性。經電磁場仿真得到X波段的隔離度優于23 dB。

3.4 級聯仿真

當90°耦合器電路模塊、45°移相器電路模塊以及交叉耦合電路模塊設計仿真完成后，即可級聯構成4x4 Butler矩陣電路，并對整體電路進行仿真優化，以達到指標要求。

電磁仿真模型為了優化電路性能，模型建立時引入了8個端口所需的RF焊盤，充分考慮RF焊盤的寄生效應。級聯之后的4x4 Butler模塊在9.5GHz至10.5GHz工作頻段內，插入損耗為3.5dB+0.3dB，其結果比原理圖仿真結果惡化了約2dB。

3.5 設計流片

微波電路的版圖設計對電路的實際性能影響很大，需要對版圖中各種寄生參數進行提取以精確預測電路的實際性能。目前硅基集成電路的主流應用仍然為數字電路，因為數字電路版圖較為密集，信號線長度較短，其寄生參數主要為電阻、電容，因此目前硅基集成電路的版圖寄生參數提取工具也主要提取版圖中的寄生電阻、電容成分，對自感和互感的提取效果很差，一般不予提取。

而本設計中的Butler矩陣電路為無源電路，整個電路的性能完全可以通過2.5D或3D電磁場仿真獲取，無須進行版圖的各種寄生參數提取，從而克服硅基電路在微波頻段參數抽取的不完善帶來的缺陷和不足，確保仿真的準確度，提高流片的成功率。流片后片上4x4 Butler矩陣見圖6。

4 測試結果與分析

對流片后的4x4片上Butler矩陣進行測試，測試結果見圖7-圖10，四個波束分別為-15°、45°、-45°、15°，最大誤差約3°，實測結果與仿真分析基本一致。本文提出基于硅基工藝的X波段寬帶片上Butler矩陣作為饋電網絡應用于陣列天線中，信號從四個端口輸入，四個輸出端口保持一個恒定的相位差，從而使得波束指向固定角度。該片上Butler矩陣輸出端相位差與理論分析一致。此外，硅基片上Butler矩陣具有小型化、高集成度、低成本、可重復性好、易于大規模生產等特點，能廣泛應用于大孔徑天線陣列中，實現同時多波束，對多個目標進行精確探測。

參考文獻：

[1] H.Hashemi and H.Krishnaswamy.“Challenges and opportuni-ties in ultra-wideband antenna-array transceivers for imag-mg，”in Proc. ICUWB 2009：586-591.

【通聯編輯：李雅琪】

作者簡介：陶小輝（1981-），男，高級工程師，博士在讀，研究方向：主要從事孔徑陣列系統硬件實現。