GaAs毫米波雙路數控衰減器MMIC

摘? 要：基于GaAs E/D贗配高電子遷移率晶體管（PHEMT）工藝，設計并實現了一款毫米波雙路數控衰減器。芯片上集成了兩個4位數控衰減器、一分二功分器和8位數字驅動器。重點介紹了射頻電路數控衰減器和功分器的拓撲結構設計。該芯片測試結果顯示在26～32 GHz頻段內，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；雙路數控衰減器

中圖分類號：TN43? 文獻標識碼：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、高可靠性等優點，已在軍用電子、民用電子產業中得到廣泛應用。近幾年來，毫米波電路對無線通信系統的發展有著至關重要的作用。微波毫米波目前的發展趨勢是高頻段，高集成、高性能、小型化和低成本等。雷達與通信系統需要考慮的主要因素是元器件的尺寸和性能。可集成、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集成化研究的主流方向，衰減器被廣泛應用于通信、雷達等領域，是收發組件中必不可少的組成部分。由于雷達與通信系統中需要成千上萬個收發組件，所需的數字衰減器的數量是極大的，因此提高數控衰減器的集成度就變得至關重要[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控制電平，這樣控制壓點的數量多，使用操作性差。傳統的數控衰減器一般需要外加數字驅動器，增加了設計的復雜性，而將數字驅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系統都是多通道的，通道一致性是組件性能的一個重要衡量指標，而使用單通道芯片的組件一致性需要不斷進行設計優化，加大了設計、調試的工作量。多通道的電路設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。因此設計了一款雙路數控衰減器，芯片集成了數控衰減器、功分器和數字驅動器，芯片最大衰減量15 dB，步進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。該芯片主要應用于微波收發組件，實現收發信號的幅度控制功能。

1? 電路結構分析和設計

本文設計的雙路數控衰減器集成了兩個4位數控衰減器、一分二功分器和8位數字驅動器，電路功能框圖如圖1所示。芯片共有三個射頻端口，可以實現兩路數控衰減器同時工作。

數控衰減器一般由開關器件、薄膜電阻和微帶線組成。四位數控衰減器由4個單一的衰減位級聯。電路設計時，根據不同的衰減位選擇合適的電路拓撲結構。為了減少控制位，集成了串行驅動器。同時為了實現雙通道，集成了功分器。

1.1? 功分器的設計

功分器是在現代通信中廣泛應用的無源器件。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，一種是微帶結構的，它具有成本低、體積小、性能穩定、更容易與有源電路集成等優點[2]。而另一種是波導結構的，具有高功率容量、低損耗、較寬的帶寬等優點，但是體積大，不利于集成仍是制約它的發展的因素。本文中使用的功分器需要與有源電路集成，且電路需要應用在毫米波頻段，所以選擇微帶結構的威爾金森功分器。此類功分器結構簡單，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構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構無法實現的完全匹配問題，從而實現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絡，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。

根據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行設計。功分器的實現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。根據整體電路布局選擇最優的走線方式。原理圖仿真完成后，為了與實際生產的電路性能更相符，需要進行電磁耦合仿真，尤其是毫米波頻段電路，微帶線間距直接影響了電路性能。仿真后實現了一款滿足本設計需要的一分二威爾金森功分器。功分器在26～32 GHz頻段內，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。集成在雙路數控衰減器中，實現了良好的端口匹配和端口隔離性能。

1.2? 數控衰減器的設計

砷化鎵異質結場效應晶體管是目前常用的PHEMT器件，該晶體管采用的是T型柵結構，這種結構減小了柵電阻，提高了柵極擊穿電壓。本文設計的數控衰減器選用砷化鎵PHEMT場效應晶體管作為開關器件，控制端為柵極，通過改變柵極電壓來控制開關的工作狀態[4]。開關管的夾斷電壓在-1 V左右，當柵級控制電壓為0 V時，開關管是導通狀態；當柵級控制電壓為-5 V時，開關管是關斷狀態。在不同的柵極控制電壓下，傳輸信號經過不同的路徑，兩條路徑下的插入損耗不同，產生的差值即定義為衰減量[5]。

本文設計的數控衰減器由1 dB、2 dB、4 dB和8 dB組成，四個基本衰減態級聯組成步進為1 dB，最大衰減量為15 dB的衰減器。數控衰減器常用的拓撲結構主要有簡T型、π型和橋T型。一般低頻段的數控衰減器小衰減位采用的是簡T型拓撲結構，大衰減位采用的是π型拓撲結構[6]。而對于毫米波數控衰減器大衰減位采用π型拓撲結構不僅衰減精度和附加相移指標差，而且電路插入損耗也大，一般不能滿足工程需要[7]。所以毫米波數控衰減器大衰減位采用N個簡T型拓撲結構級聯實現。這樣既可以保持單元電路的延續性，又改善了電路的各個性能。

本文電路中的數控衰減器0.5 dB位采用的是簡T型拓撲結構，此結構具有衰減量小、易于仿真、插入損耗小等優點。簡T型拓撲結構可以等效為并聯一個電阻R，其電路拓撲結構如圖3所示。圖中Rgs為晶體管柵極串聯電阻；R1為數控衰減器所需的薄膜電阻。

簡T型拓撲結構的等效電路如圖4所示。

假設圖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，根據插入損耗與反射系數S21的關系L0 = 20lg | S21 |，以及理想狀態下端口的匹配要求10lg | S21 | = -∞，可以求得拓撲結構中的電阻值。

簡T型拓撲結構中的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型拓撲結構級聯的方式實現，其中2 dB衰減位采用2個簡T型網絡級聯，4 dB衰減位采用3個簡T型網絡級聯，8 dB衰減位采用5個簡T型網絡級聯。同時為了實現低衰減附加相移，需要在接地通路串聯一個電容。電路拓撲結構如圖5所示。

根據場效應晶體管模型、各元器件模型以及選定的電路拓撲結構，在ADS仿真軟件中對數控衰減器進行設計。在進行電路仿真優化設計時，要調整合適的微帶線長度、薄膜電阻大小，方便后期的版圖制作。設計好每個基本的衰減位后，再進行4位衰減位的級聯仿真優化，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，同時接地的端口應就近通過通孔連接到背面金屬。最后進行4位衰減器級聯的全版圖電磁場仿真，根據電磁仿真對各個元器件參數值進行調整優化，最后完善整體版圖，完成數控衰減器的設計。

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

2? 工藝實現與測試結果分析

本文設計的雙路數控衰減器MMIC采用GaAsE/D PHEMT工藝技術制作，除鍵合區外芯片表面進行鈍化保護。該工藝包含了D模FET和E模FET，采用GaAs異質結外延材料制造，可以將微波射頻電路和數字驅動電路集成在同一個芯片上。其主要工藝步驟包括有源區器件制作、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等。設計的GaAs毫米波雙路數控衰減器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，實現了微波探針在片測試及后期的組件應用。

通過微波探針系統和矢量網絡分析儀對雙路數控衰減器芯片進行了三端口在片測試。圖6為16態衰減均方根誤差（RMS16）測試曲線，圖7為插入損耗（IL）測試曲線，圖8為16態衰減附加相移（Phase）測試曲線，圖9為16態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，衰減的16態均方根誤差在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，該雙路數控衰減器的插入損耗小于6 dB，此插入損耗是功分器和數控衰減器的零態插入損耗之和，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態的衰減附加相移小于±5°，相位一致性在毫米波頻段較有優勢。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，該雙路數控移相器芯片在毫米波頻段各項指標都能滿足現階段的工程需要，是一款實現了多功能、低成本的MMIC。

3? 結? 論

本文基于GaAs E/D PHEMT工藝，研究設計了一款26～32 GHz的毫米波雙路數控衰減器芯片。該芯片集成了串口驅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。該電路不同于傳統的衰減器結構，實現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。探針臺在片測試結果表明，該雙路數控衰減器芯片在26～32 GHz頻率范圍內，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計應用于T/R組件中，可以有效縮小組件的尺寸，降低成本。

參考文獻：

[1] 謝媛媛，陳鳳霞，高學邦.一種超小型DC18 GHz MMIC 6 bit數字衰減器 [J].半導體技術，2016，41（8）：580-585.

[2] 任建，郭國發，趙冰，等.一種28 GHz功分器的設計 [J].科學技術創新，2021（26）：114-115.

[3] MAAZ S，YOUNA J，JONGSIK L，et al. Novel Wilkinson Power Divider with an Isolation Resister on a Defected Ground Structure with Improved Isolation [J/OL].Applied Science，2021，11（9）：[2023-02-06]. https：//doi.org/10.3390/app11094148.

[4] 張博，趙晶，張晗，等.高性能25～30GHz 6位單片數控衰減器 [J].西安郵電大學學報，2016，21（2）：63-67.

[5] 張濱，李富強，楊柳，等.帶數字驅動的Ku波段6bit數控衰減器設計 [J].半導體技術，2016，41（7）：499-503.

[6] ZHAO L，LIANG W F，XU X J，et al. An Integrated Q-band 6-bit Digital Attenuator with Low Insertion Loss [C]//Asia-Pacific Microwave Conference.Sendai：IEEE，2014：1196-1198.

[7] BAE J，CAM N. Somerecent developments of millimeter-wave RFIC attenuators [C]//IEEE 21stIntConf Microwave Radar & Wireless Commun.Krakow：IEEE，2016：1-3.

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：微波集成電路設計。

收稿日期：2023-03-06