(10～20)GHz低附加相移數(shù)控衰減器設計

相控陣雷達是一種集成了多種功能的一體化雷達，由大量的天線單元組成雷達天線陣列?？刂脐嚵兄懈鲉卧l(fā)射特定幅度、相位的電磁波在空間中形成波束，通過改變各單元的幅度、相位合成不同的波束實現(xiàn)波束掃描^[1]。精確的幅度相位控制是相控陣性能的關鍵，數(shù)控衰減器是整個幅度相位控制的核心器件之一，在幅度控制過程中要求有精確的衰減量來準確地實現(xiàn)系統(tǒng)的幅度控制及旁瓣電平調(diào)節(jié)，同時需要在各種衰減狀態(tài)下的附加相移變化盡可能的小以減小定位誤差及降低電路的校準難度^[2]。

1 芯片電路整體結(jié)構(gòu)

本文設計的衰減器的電路由6 位衰減量不同的基本衰減位級聯(lián)而成，每個基本的衰減單位都由獨立的互補數(shù)字電平控制，通過對串聯(lián)開關管和并聯(lián)開關管的控制實現(xiàn)參考態(tài)和衰減態(tài)之間的切換。根據(jù)每一個基本衰減態(tài)的端口特性，電路按照2、1、8、0.5、16、4 dB 的排列方式實現(xiàn)，在一些基本衰減單元之間，加入電感與電路的寄生電容諧振來實現(xiàn)更好的級間匹配，以便可以實現(xiàn)更好的幅度、相位特性^[3]。整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 衰減器設計

2.1 小衰減位設計

0.5 dB 與1 dB 衰減位采用的是如圖2 所示的變形T 型結(jié)構(gòu)，采用電阻與開關管串聯(lián)到地實現(xiàn)，開關管采用3 個小尺寸的管子串聯(lián)，可以極大的降低開關管截止狀態(tài)的關斷電容實現(xiàn)更好的相位特性。同時在輸入輸出端加入特定長度的傳輸線，可以保證優(yōu)秀的輸入輸出駐波系數(shù)。

當控制電壓Vctl1 為低電平時，SW1 截止，衰減位工作在導通狀態(tài)；當控制電壓Vctl1 為高電平時，SW1導通，衰減位工作在衰減狀態(tài)。這種結(jié)構(gòu)具有使用器件少，插入損耗低的特點。

2.2 中等衰減位設計

2 db 與4 db 衰減位采用的是如圖3 所示的Pi 型衰減網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用在Pi 型電阻網(wǎng)絡中加入開關管控制通斷實現(xiàn)，具有兩條到地的信號通路，可以在衰減狀態(tài)下更大的衰減狀態(tài)，適合于中等及大衰減位的設計^[4]。

當控制電壓Vctl1 為高電平Vctl2 為低電平時，SW1導通SW2 截止，衰減位工作在導通狀態(tài)；當控制電壓Vctl2 為低電平、Vctl1 為高電平時，SW1 截止SW2 導通，衰減位工作在衰減狀態(tài)。

2.3 大衰減位設計

8 dB 與16 dB 衰減位采用的是如圖4 所示的開關路徑衰減器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包含兩個單刀雙擲開關、1 個電阻衰減網(wǎng)絡及1 段傳輸線，其中單刀雙擲開關實現(xiàn)參考通路與衰減通路的選通，Pi 型電阻衰減網(wǎng)絡用于實現(xiàn)衰減態(tài)的信號衰減，傳輸線用于補償參考路徑與衰減路徑之間的相位差。

當Vctl1 為高電平、Vctl2 為低電平時，SW1~SW4 導通，SW5~SW8 截止，單刀雙擲開關切換到參考路徑，此時衰減位處于參考態(tài)。當Vctl1 為低電平、Vctl2 為高電平時，SW1~SW4 截止，SW5~SW8 導通，單刀雙擲開關切換到衰減路徑，此時電路處于衰減狀態(tài)。

3 相位補償

由于電路中開關管、電阻、電容及電感的寄生參數(shù)影響，各衰減位在衰減態(tài)下與導通態(tài)下相比存在附加相移，為了盡可能的較小附加相移，本文采用了電感電容補償技術(shù)。小衰減位中使用元器件較少且采用多個小尺寸開關管并聯(lián)到地的結(jié)構(gòu)，附加相移很小，不需要采用相位補償。其余衰減位因結(jié)構(gòu)更復雜，需要引入電容補償^[5]。

圖5（a）中給出了Pi 型衰減在參考態(tài)的等效電路圖。在參考狀態(tài)下SW1 表現(xiàn)為導通電阻R_on1，SW2 與SW3表現(xiàn)為關斷電容C_Off2與C_Off3^[6]。因為R1 電阻遠大于開關管的導通電阻，所以信號基本從傳輸阻抗低的開關管等效導通電阻傳輸，此時消耗在等效電阻上的信號損耗表現(xiàn)為衰減位的插入損耗。而兩條由關斷電容與衰減電阻串聯(lián)到地的通路可以等效看成一個低通通路，會造成輸出信號相位相比與輸入信號相位滯后。

圖5 Pi型衰減等效原理圖

圖5（b）給出了Pi 型衰減在衰減態(tài)的等效電路圖。在衰減狀態(tài)下SW1 表現(xiàn)為一個關斷電容C_off1，SW2 與SW3 表現(xiàn)為導通電阻R_On2 與R_On3^[7]。因為C_off1 的傳輸電抗值遠大于開關管等效電阻與衰減電阻組成的衰減網(wǎng)絡電抗值，所以信號基本從電阻衰減傳輸，此時消耗在電阻衰減網(wǎng)絡上的信號損耗表現(xiàn)為衰減位的衰減量。開關管的關斷電容此時可以等效看成一個高通通路，會造成輸出信號相位相比與輸入信號相位超前。

圖5 Pi型衰減等效原理圖

為了實現(xiàn)衰減狀態(tài)下的低附加相移，需要加入電容補償。通過在R2、R3 上并聯(lián)補償電容C_p，形成等效的低通濾波結(jié)構(gòu)，可以有效的實現(xiàn)相位補償。通過選擇合適的電容值，能夠在基本不影響衰減單位衰減值的情況下實現(xiàn)低附加相移。大衰減位的結(jié)構(gòu)更復雜，相比與Pi 型衰減結(jié)構(gòu)增加了兩個單刀雙擲開關，因寄生參數(shù)引起的附加相移更大，所以在到地電阻R2、R3 上并聯(lián)補償電容的同時需要在R1 電阻兩端加入補償電感。

如圖6 所示為16 dB 衰減位相位補償前后的相位特性圖。圖中紅色實線為相位補償后附加相移特性曲線，藍色虛線為相位補償前的附加相移特性曲線?？梢钥闯鼋?jīng)過相位補償后，16 dB 衰減位的附加相移有顯著的降低。

圖6 16dB衰減位相位補償特性圖

4 仿真結(jié)果

如圖7 所示，在（10~20）GHz 頻率范圍內(nèi)，衰減器的輸入駐波系數(shù)低于1.4。如圖8 所示，輸出駐波系數(shù)低于1.5。如圖9 所示，衰減器的插入損耗小于4.8dB。如圖10 所示，衰減器的64 個相對衰減態(tài)，從圖中可以看出在整個頻段內(nèi)各個衰減態(tài)沒有交疊且每一個衰減態(tài)有較好的平坦度。如圖11 所示，衰減器的64 個衰減態(tài)的附加相移，可以看出衰減器的所有衰減態(tài)的附加相移范圍為?3°～3°。

圖7 輸入駐波系數(shù)

圖8 輸出駐波系數(shù)

圖9 插入損耗

圖10 相對衰減量

圖11 衰減態(tài)附加相移

5 結(jié)束語

本文設計了一款基于GaAs 0.25 μm pHEMT 工藝的6 位低附加相移數(shù)控衰減器芯片，步進0.5 dB，最大衰減量為31.5 dB。在（10 ~ 20）GHz 頻率范圍內(nèi)插入損耗< 4.8 dB ，所有衰減狀態(tài)精度< ±0.3 dB 、附加相移<±3°，輸入駐波系數(shù)<1.4，輸出駐波系數(shù)<.5。

參考文獻：

[1]方兆昱.6~18 GHz CMOS六位數(shù)控衰減器設計[D].南京:東南大學,2021.

[2] B A KOPP, M BORKOWSKI, G JERINIC. Transmit/receive modules[J].IEEE Trans. Microw. Theory Tech.,2002,50(3):827.

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[6] 劉凡,熊翼通,劉志偉.一種X波段低附加相位的6位單片數(shù)控衰減器[J].電微電子學,2018,48(2):232.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年5月期）