高精度、低附加相移数控衰减器设计.pdf
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1、Telecom Power Technology 4 Oct.10,2023,Vol.40 No.19 2023 年 10 月 10 日第 40 卷第 19 期设计应用技术DOI:10.19399/ki.tpt.2023.19.002高精度、低附加相移数控衰减器设计张 磊(海军装备部驻南京地区第三代表室,江苏 南京 210001)摘要:采用0.13 m 双极的互补金属氧化物半导体(Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor,BiCMOS)工艺,设计了一款高精度、低附加相移的 6 位数控衰减器。电路采用 6 个基本衰减单元级联组合的方式,通过控
2、制各衰减单元的工作状态,实现 64 个衰减状态。衰减器衰减步进为 0.5 dB,最大衰减量为 31.5 dB。仿真结果表明,衰减误差均方根小于0.22 dB,附加相移小于3,插入损耗小于8.2 dB,回波损耗小于-20 dB,芯片尺寸为750 m 500 m。关键词:衰减器;高精度;低附加相移;相控阵系统A Digital Attenuator with High Accuracy and Low Phase VariationZHANG Lei(The Third Military Representative Office of the Naval Armament Department
3、in Nanjing Area,Nanjing 210001,China)Abstract:This letter presents a 6 bits digital attenuator with high accuracy and low phase variation in 0.13 m Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor(BiCOMS)technology.Circuit,composed of 6 cascaded units,gets 64 states by controlling the state of attenu
4、ation units.Proposed attenuator exhibits 31.5 dB tuning range with 0.5 dB tuning step.The simulation result of proposed circuit shows root mean square attenuator error better than 0.22 dB and phase error less than 3.Besides,the insert loss is less than 8.2 dB,and return loss is less than-20 dB.Die d
5、imension of attenuator is 750 m500 m.Keywords:attenuator;high accuracy;low phase error;phase array system0 引 言衰减器作为移动通信、相控阵雷达等系统的关键模块,其性能的好坏将直接影响系统的工作性能。随着工艺节点的不断减小和人们对芯片集成度要求的不断提高,小尺寸、高性能的多位数控衰减器成为当今学术研究与工程应用的研究热点。数控衰减器由多位衰减量不同的单元级联组成,并通过外部信号控制衰减器的实际衰减量,以实现高精度、低附加相移等高性能指标。该结构具有设计简单、可移植性强等优点。1 电路设计设
6、计的 6 位数控衰减器由 0.5 dB、1 dB、2 dB、4 dB、8 dB、16 dB 衰减位级联组成,以 0.5 dB 为衰减步进,实现最大 31.5 dB 的衰减量。0.5 dB 和 1 dB 衰减单元采用插损小、结构简单的简化 T 型结构,2 dB 采用回波损耗较好的桥 T 型结构,4 dB、8 dB 则采用适合大位衰减的 型结构1。由于衰减量大,开关内嵌式的拓扑结构无法较好地实现更大的衰减量,因此 16 dB 采用开关路径式拓扑结构2。电路原理如图1 所示。LineLine(a)简化 T 型 (b)桥 T 型LineLine参考态衰减态SPDTSPDT(c)型 (d)开关路径型图
7、1 衰减单元拓扑结构1.1 电容补偿和电感补偿以 型开关内嵌式拓扑结构为例,分析其在参考态和衰减态的工作原理。2 种工作状态的等效电路分别如图 2 所示。如图 2(a)所示,当衰减器工作在参考态时,串收稿日期:2023-08-20作者简介:张 磊(1982),男,河南滑县人,硕士研究生,主要研究方向为雷达、电子元器件。2023 年 10 月 10 日第 40 卷第 19 期 5 Telecom Power TechnologyOct.10,2023,Vol.40 No.19 张 磊:高精度、低附加相移数控 衰减器设计联金属-氧化物-半导体(Metal Oxide Semiconductor,M
8、OS)场效应晶体管导通,并联 MOS 管断开。在理想开关状态下,信号从输入端通过 MOS 管导通电阻Ron1径直到达输出端,没有到地衰减路径,此时信号插损仅由导通电阻 Ron1和电阻 R1引入。但是,由于截止电容 Coff2的存在,部分高频信号将通过电阻 R2和 Coff2泄漏到地,参考态插损增大,同时衰减器的相对衰减量减小。随着信号频率的升高,截止电容引入的衰减误差更大。如图 2(b)所示,当衰减器工作在衰减态时,串联 MOS 管断开,并联 MOS 管导通。此时,信号路径中出现到地衰减路径,部分信号通过导通电阻Ron2和电阻R2泄漏到地,使得信号产生衰减。由图 2(b)可知,截止电容 Cof
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