基于GaAs_pHEMT工...宽带6位数字移相器MMIC_周守利.pdf

第 59 卷 第 1 期2023 年 1 月南京大学学报（自然科学）（NATURAL SCIENCE）Vol.59,No.1Jan.,2023JOURNAL OF NANJING UNIVERSITY基于 GaAs pHEMT工艺的宽带 6位数字移相器 MMIC周守利1*,顾磊1,2,张景乐1,吴建敏1（1.浙江工业大学信息工程学院，杭州，310023；2.杭州萧山技师学院，杭州，311201）摘要：基于 0.15 m GaAs pHEMT（pseudomorphic High Electron Mobility Transistor）工艺，研制了一款 6位数字移相器微波单片集成电路（Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC）.该移相器由六个基本移相位级联组成，工作频带为 1018 GHz，步进值为 5.625，移相范围为 0360，具有 64个移相态.根据最优拓扑选择理论，5.625，11.25，22.5移相位采用桥 T 型结构，降低了移相器的插损及面积；采用开关型高低通滤波器结构实现 45，90，180移相位，提高了大移相位的移相精度，并有效降低了寄生调幅.实测结果表明：64态移相寄生调幅均方根误差小于 0.6 dB，移相输入输出回波损耗低于-11 dB，移相均方根误差小于 4.2，基态插入损耗低于 8.6 dB.芯片尺寸为 3.35 mm1.40 mm.该数字移相器具有宽频带、高移相精度、尺寸小的特点，主要用于微波相控阵 T/R组件、无线通信等领域.关键词：GaAs pHEMT，宽带，数字移相器，微波单片集成电路中图分类号：TN432 文献标志码：AA wideband 6 bit digital phase shifter MMIC based on GaAs pHEMT processZhou Shouli1*,Gu Lei1,2,Zhang Jingle1,Wu Jianmin1(1.College of Information Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou，310023，China；2.Hangzhou Xiaoshan Technician College，Hangzhou，311201，China)Abstract:This paper proposed a 1018 GHz wideband 6bit digital phase shifter MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)designed in 0.15 m GaAs pHEMT(pseudomorphic High Electron Mobility Transistor)technology.The phase shifter was composed of six basic bits，which realizes 64 phaseshifting states with a step value of 5.625 and provides a phaseshifting range of 0360.Considering the structural topology optimization，the bridgeT structure is adopted for 5.625，11.25 and 22.5 phase bits to reduces the insertion loss and area of the phase shifter.The switch type highlow pass filter structure is employed to realize 45，90 and 180 phase bits，which improves the accuracy of phase and amplitude.The measurement results show that in the range of 1018 GHz，the input and output return loss of 64 states are all less than-11 dB，the insertion loss of reference state is less than 8.6 dB，the RMS(root mean square)phase error of 64 states is less than 4.2，and the RMS amplitude error of 64 states is less than 0.6 dB.The chip size is 3.35 mm1.40 mm.The phase shifter has the characteristics of wideband，high phaseshifting accuracy and small size mainly used in transmit/receive(T/R)module of microwave phased array antenna and wireless communication.Key words:GaAs pHEMT,wideband,digital phase shifter,monolithic microwave integrated circuit移相器是相控阵天线收发（T/R）组件的核心器件，用于实现快速波束成形和波束扫描1.数字移相器通常作为许多相控阵应用中的首选方案，因为它们对于功率、控制电压和温度等因素的变DOI：10.13232/ki.jnju.2023.01.018基金项目：中国科学院空间科学战略性科技先导专项基金（XDA04060300），中国博士后科学基金（2013M540147）收稿日期：2022-06-15*通讯联系人，Email：南京大学学报（自然科学）第 59 卷化不敏感，具有良好的稳定性2.近十年来，随着半导体技术的快速发展，已开发出基于不同器件结构的多种移相器.PIN二极管结构的移相器2-3具有较快的开关速度和较高功率处理能力，但具有驱动电流要求较高、功耗大等不足.基于 Si工艺的移相器具有成本低、易集成的优点，但采用MOS 管4-5的硅基无源移相器，由于信号对地的电容耦合和高导通电阻，移相器的插入损耗较大.另一方面，采用硅基有源矢量移相器6-7可以实现高增益和高精度，但该类移相器单向工作，且可变增益有较大的直流功耗，所以限制了其动态范围.相比之下，GaAs赝配高电子迁移率晶体管（pHEMT，pseudomorphic High Electron Mobility Transistor）8有更高的电子迁移率，可制备得到高品质因数的器件，更适用于设计宽带移相器.宽带移相器的实现通常有四种常见的拓扑结构，分别是桥 T 型9、反射型10、全通网络型11以及高低通滤波器型12.桥 T 型移相器结构简单，电路尺寸紧凑，适用于小移相位电路的设计.反射型移相器工作频带宽，移相精度高，但四分之一波长的 3 dB 电桥增加了电路的整体尺寸，所以适用于较高频段.基于全通网络的移相器可实现多倍频程的超宽带性能，但该结构众多的 L，C 元件数量，增加了无源插损和版图面积，且电路设计较复杂.高低通滤波器型移相器，通过高低通网络在移相时互相补偿相位，可实现宽频带相移，具有平坦的相位响应，这种结构目前应用比较广泛.基于宽带、高精度、低功耗移相器的应用需求，采用 0.15 m GaAs pHEMT 工艺，研制了一款 1018 GHz的 6位数字移相器（Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC）芯片.该移相器采用桥 T 型结构和开关型高低通滤波器结构，不仅降低了移相器的寄生调幅，而且提高了移相器的工作带宽和相位平坦度.经测试表明，制备得到的 6位数字移相器 MMIC 芯片具有宽带性能以及高精度的相位和幅度特性.1 电路设计 数字移相器的设计，需考虑输入输出回波损耗、插入损耗、移相精度、寄生调幅和工作带宽等多项性能指标，而且要兼顾移相器在性能和尺寸上的折中，最终选择合适的拓扑以实现每个移相位最佳的性能和最紧凑的结构.设计的 6 位移相器的电路拓扑如图 1 所示，该结构由六个基本移相位级联组成，采用 pHEMT 为开关控制器件，源极为射频输入端，漏极为输出端，栅极为控制端.该结构可实现步进值为 5.625的 64个移相状态，移相范围为 0360.其中 Vc为开关栅极控制电压，Vc=0 V时 pHEMT 处 于 导 通 状 态，Vc=-5 V时 pHEMT 处于截止状态.在栅极串联 Rg电阻，阻值约为 20 k，以防止信号泄露13.信号传输在带通和低通之间切换实现移相，采用桥 T 型移相结构实现 5.625，11.25和 22.5的移相位，如图 1所示.图 1的数字移相电路拓扑只有一个串联开关，插损更小，且采用开关截止态寄生电容为移相电路的一部分，能有效抑制寄生参量对整个移相电路性能的影响14.桥 T 型移相等效电路如图 2 所示，图 2a 为参考态，图 2b为移相态，其中 C1为管芯 M2的截止电容，C2为开关 M3的截止电容.当输入输出满足阻抗匹配时，等效电路图 2a和图 2b中与插入相位对应的电感 L 和电容 C 元件值可分别通过式（1）和图 16位数字移相器电路拓扑Fig.1The circuit topology of 6 bit digital phase shifter 184第 1期周守利等：基于 GaAs pHEMT工艺的宽带 6位数字移相器 MMIC式（2）计算得到，其中，0为需要的插入相位，0为中心角频率，特征阻抗Z0取值 50.L1=Z0tan()0/20,C1=sin 0Z00(1)C2=2tan()0/2Z00,L2=1C220(2)在参考态下，M1导通、M2导通、M3截止，调节L2使其与 C2产生谐振，此时信号传输的插损和相位都较小.M1导通电阻决定移相器的插损大小，通常选用大尺寸的器件参数来减少导通电阻，低导通电阻具有更低的插入损耗.在移相态下，M1截止、M2截止、M3导通，通过调节 M2的尺寸，可以均衡参考态和移相态的幅度特性，降低移相器的寄生调幅.考虑到移相器管芯寄生参量的影响，相位变化较大的移相位采用桥 T 型结构已不再合适，因此采用开关型低高通滤波器结构设计 45，90和180的移相位，如图 3a 所示的电路拓扑结构.采用单刀双掷开关（Single Pole Double Throw，SPDT）使信号传输在高通滤波和低通滤波之间切换，移相利用两个滤波电路传递函数的相频参数差异来实现.在移相态时信号传输通过 型低通移相电路产生滞后相位，在参考态时信号传输超前相位的产生可通过 T 型高通移相网络实现，两种态下的相位差即为所需要的相移.由于低通滤波器的相位滞后随频率的增大而增加，而高通滤波器的相位超前随频率的增大而降低，因此，低高通两种滤波器在移相时能够相互实现相位补偿，从而达到宽频带内的较为平坦的相移15-16.同时，信号传输在低通和高通滤波器之间互相切换时，幅度基本不变，只是相位变化，这样可减小参考态和移相态下的幅度差异，从而减少寄生调幅.三阶高低通网络的各 L，C 元件值可通过式（3）和式（4）计算得到：L1=Z0sin()020,C1=1-cos()02Z00sin()02(3)L2=Z00sin()02,C2=sin()02Z00()1-cos()02(4)在大相移和宽频带的前提下，对于 180移相位，相位的平坦度及理想的带宽仅采用三阶低高通滤波器电路难以达到，因此移相器设计使用了五阶低通和七阶高通滤波电路移相.滤波器阶数的增加可以降低移相器电路匹配难度，增大移相值和拓宽响应带宽；同时，由于器件数的增加使电路尺寸增大，会引起更高