(10～20)GHz低附加相移數(shù)控衰減器設(shè)計(jì)

相控陣?yán)走_(dá)是一種集成了多種功能的一體化雷達(dá)，由大量的天線單元組成雷達(dá)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(shí)現(xiàn)波束掃描^[1]。精確的幅度相位控制是相控陣性能的關(guān)鍵，數(shù)控衰減器是整個(gè)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(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的幅度控制及旁瓣電平調(diào)節(jié)，同時(shí)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(zhǔn)難度^[2]。

1 芯片電路整體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的衰減器的電路由6 位衰減量不同的基本衰減位級(jí)聯(lián)而成，每個(gè)基本的衰減單位都由獨(dú)立的互補(bǔ)數(shù)字電平控制，通過對(duì)串聯(lián)開關(guān)管和并聯(lián)開關(guān)管的控制實(shí)現(xiàn)參考態(tài)和衰減態(tài)之間的切換。根據(jù)每一個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)更好的級(jí)間匹配，以便可以實(shí)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(shè)計(jì)

2.1 小衰減位設(shè)計(jì)

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(guān)管串聯(lián)到地實(shí)現(xiàn)，開關(guān)管采用3 個(gè)小尺寸的管子串聯(lián)，可以極大的降低開關(guān)管截止?fàn)顟B(tài)的關(guān)斷電容實(shí)現(xiàn)更好的相位特性。同時(shí)在輸入輸出端加入特定長(zhǎng)度的傳輸線，可以保證優(yōu)秀的輸入輸出駐波系數(shù)。

當(dāng)控制電壓Vctl1 為低電平時(shí)，SW1 截止，衰減位工作在導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)控制電壓Vctl1 為高電平時(shí)，SW1導(dǎo)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(diǎn)。

2.2 中等衰減位設(shè)計(jì)

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(luò)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用在Pi 型電阻網(wǎng)絡(luò)中加入開關(guān)管控制通斷實(shí)現(xiàn)，具有兩條到地的信號(hào)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(shè)計(jì)^[4]。

當(dāng)控制電壓Vctl1 為高電平Vctl2 為低電平時(shí)，SW1導(dǎo)通SW2 截止，衰減位工作在導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)控制電壓Vctl2 為低電平、Vctl1 為高電平時(shí)，SW1 截止SW2 導(dǎo)通，衰減位工作在衰減狀態(tài)。

2.3 大衰減位設(shè)計(jì)

8 dB 與16 dB 衰減位采用的是如圖4 所示的開關(guān)路徑衰減器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)單刀雙擲開關(guān)、1 個(gè)電阻衰減網(wǎng)絡(luò)及1 段傳輸線，其中單刀雙擲開關(guān)實(shí)現(xiàn)參考通路與衰減通路的選通，Pi 型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)衰減態(tài)的信號(hào)衰減，傳輸線用于補(bǔ)償參考路徑與衰減路徑之間的相位差。

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

3 相位補(bǔ)償

由于電路中開關(guān)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(dǎo)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(bǔ)償技術(shù)。小衰減位中使用元器件較少且采用多個(gè)小尺寸開關(guān)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(bǔ)償。其余衰減位因結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，需要引入電容補(bǔ)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(dǎo)通電阻R_on1，SW2 與SW3表現(xiàn)為關(guān)斷電容C_Off2與C_Off3^[6]。因?yàn)镽1 電阻遠(yuǎn)大于開關(guān)管的導(dǎo)通電阻，所以信號(hào)基本從傳輸阻抗低的開關(guān)管等效導(dǎo)通電阻傳輸，此時(shí)消耗在等效電阻上的信號(hào)損耗表現(xiàn)為衰減位的插入損耗。而兩條由關(guān)斷電容與衰減電阻串聯(lián)到地的通路可以等效看成一個(gè)低通通路，會(huì)造成輸出信號(hào)相位相比與輸入信號(hào)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(gè)關(guān)斷電容C_off1，SW2 與SW3 表現(xiàn)為導(dǎo)通電阻R_On2 與R_On3^[7]。因?yàn)?em>C_off1 的傳輸電抗值遠(yuǎn)大于開關(guān)管等效電阻與衰減電阻組成的衰減網(wǎng)絡(luò)電抗值，所以信號(hào)基本從電阻衰減傳輸，此時(shí)消耗在電阻衰減網(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)損耗表現(xiàn)為衰減位的衰減量。開關(guān)管的關(guān)斷電容此時(shí)可以等效看成一個(gè)高通通路，會(huì)造成輸出信號(hào)相位相比與輸入信號(hào)相位超前。

圖5 Pi型衰減等效原理圖

為了實(shí)現(xiàn)衰減狀態(tài)下的低附加相移，需要加入電容補(bǔ)償。通過在R2、R3 上并聯(lián)補(bǔ)償電容C_p，形成等效的低通濾波結(jié)構(gòu)，可以有效的實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)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(shí)現(xiàn)低附加相移。大衰減位的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，相比與Pi 型衰減結(jié)構(gòu)增加了兩個(gè)單刀雙擲開關(guān)，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(bǔ)償電容的同時(shí)需要在R1 電阻兩端加入補(bǔ)償電感。

如圖6 所示為16 dB 衰減位相位補(bǔ)償前后的相位特性圖。圖中紅色實(shí)線為相位補(bǔ)償后附加相移特性曲線，藍(lán)色虛線為相位補(bǔ)償前的附加相移特性曲線?？梢钥闯鼋?jīng)過相位補(bǔ)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(bǔ)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(gè)相對(duì)衰減態(tài)，從圖中可以看出在整個(gè)頻段內(nèi)各個(gè)衰減態(tài)沒有交疊且每一個(gè)衰減態(tài)有較好的平坦度。如圖11 所示，衰減器的64 個(gè)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(duì)衰減量

圖11 衰減態(tài)附加相移

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)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(jìn)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(xiàn)：

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年5月期）