GaAs毫米波双路数控衰减器MMIC_丁红沙.pdf

2023 年 6 月 10 日第 7 卷 第 11 期现代信息科技Modern Information TechnologyJun.2023 Vol.7 No.1161612023.062023.06收稿日期：2023-03-06GaAs 毫米波双路数控衰减器 MMIC丁红沙（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051）摘 要：基于 GaAs E/D 赝配高电子迁移率晶体管（PHEMT）工艺，设计并实现了一款毫米波双路数控衰减器。芯片上集成了两个 4 位数控衰减器、一分二功分器和 8 位数字驱动器。重点介绍了射频电路数控衰减器和功分器的拓扑结构设计。该芯片测试结果显示在 26 32 GHz 频段内，芯片插入损耗小于 6 dB，衰减均方根误差小于 0.5 dB，衰减附加相移小于 5，输入输出电压驻波比小于 1.6:1，工作电流小于 6 mA。芯片尺寸仅为 2.00 mm2.00 mm0.07 mm。关键词：GaAs E/D 赝配高电子迁移率晶体管（PHEMT）；单片微波集成电路（MMIC）；毫米波；双路数控衰减器中图分类号：TN43 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）11-0061-04A GaAs Millimeter Wave Double-Circuit CNC Attenuator MMICDING 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 than5,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 mm2.00 mm0.07 mm.Keywords:GaAs E/D Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor;Monolithic Microwave Integrated Circuit;millimeter wave;double-circuit CNC attenuator0 引 言微波单片集成电路具有小体积、低成本、高可靠性等优点，已在军用电子、民用电子产业中得到广泛应用。近几年来，毫米波电路对无线通信系统的发展有着至关重要的作用。微波毫米波目前的发展趋势是高频段，高集成、高性能、小型化和低成本等。雷达与通信系统需要考虑的主要因素是元器件的尺寸和性能。可集成、高性能的无源元器件与微波毫米波单片集成电路是目前系统集成化研究的主流方向，衰减器被广泛应用于通信、雷达等领域，是收发组件中必不可少的组成部分。由于雷达与通信系统中需要成千上万个收发组件，所需的数字衰减器的数量是极大的，因此提高数控衰减器的集成度就变得至关重要1。这样不仅能够便于组件装配提高整体性能，也能减小组件尺寸降低成本。数控衰减器的每个衰减位都需要单独的控制电平，大衰减量的衰减位则需要一对互补控制电平，这样控制压点的数量多，使用操作性差。传统的数控衰减器一般需要外加数字驱动器，增加了设计的复杂性，而将数字驱动器与衰减器集成的电路，使用方便灵活1。一般的微波组件收发系统都是多通道的，通道一致性是组件性能的一个重要衡量指标，而使用单通道芯片的组件一致性需要不断进行设计优化，加大DOI:10.19850/ki.2096-4706.2023.11.014了设计、调试的工作量。多通道的电路设计就很好地解决了这一问题，不仅提高了通道的一致性，还能缩小组件的尺寸。因此设计了一款双路数控衰减器，芯片集成了数控衰减器、功分器和数字驱动器，芯片最大衰减量 15 dB，步进 1 dB，采用 0 V/5 V 的 TTL 控制电平，仅有 4 个控制端口，减少了控制压点的数量，方便键合使用。芯片尺寸仅为 2.00 mm2.00 mm0.07 mm。该芯片主要应用于微波收发组件，实现收发信号的幅度控制功能。1 电路结构分析和设计本文设计的双路数控衰减器集成了两个 4 位数控衰减器、一分二功分器和 8 位数字驱动器，电路功能框图如图 1所示。芯片共有三个射频端口，可以实现两路数控衰减器同时工作。RFin4BitsSPCBits4RFinSPCRFout1RFout1RFout2RFout28位图 1 电路功能框图62622023.062023.06第 11期现代信息科技数控衰减器一般由开关器件、薄膜电阻和微带线组成。四位数控衰减器由 4 个单一的衰减位级联。电路设计时，根据不同的衰减位选择合适的电路拓扑结构。为了减少控制位，集成了串行驱动器。同时为了实现双通道，集成了功分器。1.1 功分器的设计功分器是在现代通信中广泛应用的无源器件。在微波电路中，功分器是将一路功率按照一定比例分为两路或多路分支。功分器的主要种类可以分为两种，一种是微带结构的，它具有成本低、体积小、性能稳定、更容易与有源电路集成等优点2。而另一种是波导结构的，具有高功率容量、低损耗、较宽的带宽等优点，但是体积大，不利于集成仍是制约它的发展的因素。本文中使用的功分器需要与有源电路集成，且电路需要应用在毫米波频段，所以选择微带结构的威尔金森功分器。此类功分器结构简单，易于集成，且具有良好的隔离性能3。本文中所用的功分器是将一路信号按照相同的比例分为两路，即两等分功分器。两路分配的固有损耗都是 3 dB。威尔金森功分器的结构是在简易功分器中引入了隔离电阻，克服了普通的无损耗互易三端口结构无法实现的完全匹配问题，从而实现了端口的匹配以及输出两端口之间的隔离，满足了工程需要，原理图如图 2 所示。威尔金森功分器是一个有耗的三端口网络，连接输入与输出端的传输线长度为四分之一波长。此功分器的指标主要包括：输入输出端口的电压驻波比、两个输出端口间的隔离度、两路的相位一致性、插入损耗等。RFinRFout2RFout2RRFout1图 2 威尔金森功分器原理图假设与隔离电阻连接的传输线长度为 L，特征阻抗为Z0，威尔金森功分器中的隔离电阻 R 的阻值可以通过式（1）得出：（1）式中 为传输线 L 的相位常数。根据电路原理图及薄膜电阻的模型，在 ADS 仿真软件中对威尔金森功分器进行设计。功分器的实现主要是微带线和薄膜电阻，为了缩小版图的尺寸，在仿真时不仅要考虑微带线的长度，也要考虑微带线的折叠方式。根据整体电路布局选择最优的走线方式。原理图仿真完成后，为了与实际生产的电路性能更相符，需要进行电磁耦合仿真，尤其是毫米波频段电路，微带线间距直接影响了电路性能。仿真后实现了一款满足本设计需要的一分二威尔金森功分器。功分器在 26 32 GHz 频段内，输入输出电压驻波比小于 1.5，两输出端口间的隔离度大于 25 dB，插入损耗小于0.5 dB。集成在双路数控衰减器中，实现了良好的端口匹配和端口隔离性能。1.2 数控衰减器的设计砷化镓异质结场效应晶体管是目前常用的 PHEMT 器件，该晶体管采用的是 T 型栅结构，这种结构减小了栅电阻，提高了栅极击穿电压。本文设计的数控衰减器选用砷化镓PHEMT 场效应晶体管作为开关器件，控制端为栅极，通过改变栅极电压来控制开关的工作状态4。开关管的夹断电压在-1 V左右，当栅级控制电压为0 V时，开关管是导通状态；当栅级控制电压为-5 V 时，开关管是关断状态。在不同的栅极控制电压下，传输信号经过不同的路径，两条路径下的插入损耗不同，产生的差值即定义为衰减量5。本文设计的数控衰减器由 1 dB、2 dB、4 dB 和 8 dB 组成，四个基本衰减态级联组成步进为 1 dB，最大衰减量为15 dB 的衰减器。数控衰减器常用的拓扑结构主要有简 T 型、型和桥 T 型。一般低频段的数控衰减器小衰减位采用的是简 T 型拓扑结构，大衰减位采用的是 型拓扑结构6。而对于毫米波数控衰减器大衰减位采用 型拓扑结构不仅衰减精度和附加相移指标差，而且电路插入损耗也大，一般不能满足工程需要7。所以毫米波数控衰减器大衰减位采用 N 个简T 型拓扑结构级联实现。这样既可以保持单元电路的延续性，又改善了电路的各个性能。本文电路中的数控衰减器 0.5 dB 位采用的是简 T 型拓扑结构，此结构具有衰减量小、易于仿真、插入损耗小等优点。简 T 型拓扑结构可以等效为并联一个电阻 R，其电路拓扑结构如图 3 所示。图中 Rgs为晶体管栅极串联电阻；R1为数控衰减器所需的薄膜电阻。RFinRFoutVgsRgsR1图 3 简 T 型拓扑结构简 T 型拓扑结构的等效电路如图 4 所示。R1图 4 简 T 型拓扑结构等效电路图假设图 4 对称两端口的等效电路图的外接微带线的特征阻抗为 Z0，根据插入损耗与反射系数 S21的关系 L0=20lg|S21|，以及理想状态下端口的匹配要求 10lg|S21|=-，可以求得拓扑结构中的电阻值。简 T 型拓扑结构中的 R1初始值可以通过式（2）得出：（2）63632023.062023.06第 11期式中：Z0为特征阻抗，阻值为 50；L0为插入损耗。2 dB、4 dB、8 dB 衰减位采用 N 个简 T 型拓扑结构级联的方式实现，其中 2 dB 衰减位采用 2 个简 T 型网络级联，4 dB 衰减位采用 3 个简 T 型网络级联，8 dB 衰减位采用 5个简 T 型网络级联。同时为了实现低衰减附加相移，需要在接地通路串联一个电容。电路拓扑结构如图 5 所示。RFinRFout2VgsNRgsNRNVgs1Rgs1R1C1CN图 5 2 dB/4 dB/8 dB 衰减位拓扑结构根据场效应晶体管模型、各元器件模型以及选定的电路拓扑结构，在 ADS 仿真软件中对数控衰减器进行设计。在进行电路仿真优化设计时，要调整合适的微带线长度、薄膜电阻大小，方便后期的版图制作。设计好每个基本的衰减位后，再进行 4 位衰减位的级联仿真优化，考虑电压输入输出驻波，要将对外界不敏感的衰减位 2 dB/4 dB 分别排列在射频输入输出端口。版图布局时，要考虑毫米波电路耦合大的影响，要避免微带线的交叉，尽量拉大两条平行微带线之间的距离，同时接地的端口应就近通过通孔连接到背面金属。最后进行 4 位衰减器级联的全版图电磁场仿真，根据电磁仿真对各个元器件参数值进行调整优化，最后完善整体版图，完成数控衰减器的设计。将设计的功分器、数控衰减器以及现有的数字驱动器进行整体的版图设计。设计不仅要考虑芯片整体布局尺寸，也要能实现探针台在片测试。将数字驱动器的输出端口与数控衰减器的控制端口用微带线进行互联，串入打码实现电路衰减功能。最终实现了尺寸仅为 2.00 mm2.00 mm 的版图。2 工艺实现与测试结果分析本 文 设 计 的 双 路 数 控 衰 减 器 MMIC 采 用 GaAsE/D PHEMT 工艺技术制作，除键合区外芯片表面进行钝化保护。该工艺包含了 D 模 FET 和 E 模 FET，采用 GaAs 异质结外延材料制造，可以将微波射频电路和数字驱动电路集成在同一个芯片上。其主要工艺步骤包括有源区器件制作、源漏欧姆接触制作、电子束光刻栅制作、背面接地孔制备和钝化保护等。设计的 GaAs 毫米波双路数控衰减器 MMIC 芯片尺寸为 2.00 mm2.00 mm，控制压点仅有 4 个，驱动器电路采用-5 V 电源电压，TTL 控制电平 0 V/5 V，输入输出采用GSG 压点，实现了微波探针在片测试及后期的组件应用。通过微波探针系统和矢量网络分析仪对双路数控衰减器芯片进行了三端口在片测试。图 6 为 16 态衰减均方根误差(RMS16)测试曲线，图 7 为插入损耗(IL)测试曲线，图 8 为16 态衰减附加相移(Phase)测试曲线，图 9 为 16 态输入输出电压驻波比(VSWR)测试曲线。2627282930313200.51.01.52.02.53.0RMS16/dBFreq/GHz图 6 16 态衰减均方根误差26272829303132-10-8-6-4-20IL/dBFreq/GHz图 7 插入损耗26272829303132-15-10-5051015Phase/DegFreq/GHz图 8 16 态衰减附加相移262728293031321.01.52.02.53.0VSWRFreq/GHz 图 9 输入输出电压驻波比（下转 68 页）丁红沙：GaAs 毫米波双路数控衰减器 MMIC68682023.062023.06第 11期现代信息科技 1020304050607080Distance/m02468101214161820Sum-rate快速近场分层的波束训练完美信道状态信息的波束形成快速近场的波束训练图 9 不同距离下各方法的可达速率对比5 结 论在本文中，我们提出了一种新的用于超大规模阵列的通信系统的波束训练方法：两阶段的快速近场分层的波束训练方法。仿真结果表明，本文提出的两阶段波速训练方案在角度域的波束细扫描改为粗扫描后，可以明显地降低现有的快速近场的波束训练开销，还能获得不错的波束形成增益。未来工作中可以考虑采用神经网络算法来进一步减小训练开销。参考文献：1 WU Q Q，ZHANG S W，ZHENG B X，et al.Intelligent Reflecting Surface Aided Wireless Communications：A Tutorial J.IEEE Transactions on Communications，2021，69（5）：3313-3351.2 LU H Q，ZENG Y.Communicating With Extremely Large-Scale Array/Surface:Unified Modeling and Performance Analysis J.IEEE Transactions on Wireless Communications，2022，21（6）：4039-4053.3 HAN Y，JIN S，WEN C K，et al.Channel Estimation for Extremely Large-Scale Massive MIMO Systems J.IEEE Wireless Communications Letters，2020，9（5）：633-637.4 WEI X H，DAI L L，ZHAO Y J，et al.Codebook Design and Beam Training for Extremely Large-Scale RIS:Far-Field or Near-Field?J.China Communications，2022，19（6）：193-204.5 CUI M Y，DAI L L.Channel Estimation for Extremely Large-Scale MIMO:Far-Field or Near-Field?J.IEEE Transactions on Communications，2022，70（4）：2663-2677.6 YOU C S，ZHENG B X，ZHANG R.Fast Beam Training for IRS-Assisted Multiuser Communications J.IEEE Wireless Communications Letters，2020，9（11）：1845-1849.7 XIAO Z Y，HE T，XIA P F，et al.Hierarchical Codebook Design for Beamforming Training in Millimeter-Wave Communication J.IEEE Transactions on Wireless Communications.2016，15（5）：3380-3392.8 ZHANG Y P，WU X，YOU C S.Fast Near-Field Beam Training for Extremely Large-Scale Array J.IEEE Wireless Communications Letters，2022，11（12）：2625-2629.9 ZHANG H Y，SHLEZINGER N，GUIDI F，et al.Beam Focusing for Near-Field Multiuser MIMO Communications J.IEEE Transactions on Wireless Communications，2022，21（9）：7476-7490.作者简介：钱海峰（1996），男，汉族，江苏如皋人，硕士研究生在读，研究方向：信道估计算法研究。由图 6 可以看出，在 26 32 GHz 频带内，衰减的 16态均方根误差在 0.1 0.4 dB 之间。均方根误差小，表明芯片的各个衰减位精度高、误差小。由图 7 可以看出，该双路数控衰减器的插入损耗小于 6 dB，此插入损耗是功分器和数控衰减器的零态插入损耗之和，其中包括功分器的固有损耗3 dB，电路的整体损耗较小。由图 8 可以看出，16 态的衰减附加相移小于 5，相位一致性在毫米波频段较有优势。由图 9 可以看出，输入输出端口电压驻波比小于 1.6:1，具有良好的端口匹配，便于后期的组件使用。由以上分析可知，该双路数控移相器芯片在毫米波频段各项指标都能满足现阶段的工程需要，是一款实现了多功能、低成本的 MMIC。3 结 论本文基于 GaAs E/D PHEMT 工艺，研究设计了一款26 32 GHz 的毫米波双路数控衰减器芯片。该芯片集成了串口驱动器以及威尔金森功分器。仅有 4 个控制端口，装配使用灵活方便。该电路不同于传统的衰减器结构，实现了毫米波频段低衰减附加相移、低插入损耗以及良好的端口匹配。探针台在片测试结果表明，该双路数控衰减器芯片在26 32 GHz 频率范围内，芯片插入损耗小于 6 dB，衰减均方根误差小于 0.5 dB，衰减附加相移小于 5，输入输出电压驻波比小于 1.6:1，工作电流小于 6 mA。该毫米波衰减器集成电路的设计应用于 T/R 组件中，可以有效缩小组件的尺寸，降低成本。参考文献：1 谢媛媛，陈凤霞，高学邦.一种超小型 DC18 GHz MMIC 6 bit 数字衰减器 J.半导体技术，2016，41（8）：580-585.2 任建，郭国发，赵冰，等.一种 28 GHz 功分器的设计 J.科学技术创新，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 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