一種DC-50GHz低插入相移MMIC可變衰減器的設(shè)計(jì)
作者：戴永勝 陳堂勝等
1 引言
GaAsMMIC控制電路由于體積小、重量輕、開關(guān)速度快、抗輻射、可靠性高、幾乎無(wú)功耗等顯著優(yōu)點(diǎn)在許多電子系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。眾所周知,在現(xiàn)代先進(jìn)的移動(dòng)通信等系統(tǒng)（如空間分集智能天線和相控陣系統(tǒng)）中,均需進(jìn)行幅度和相位的調(diào)整,一般系統(tǒng)均要求相位調(diào)整時(shí),幅度變化越小越好。而幅度調(diào)整時(shí),相位變化越小越好。文中所提DC-50GHz超寬帶的GaAsMMIC壓控電調(diào)衰減器除了具有大動(dòng)態(tài)衰減范圍、優(yōu)良的衰減隨控制電壓變化的線性度、優(yōu)異的輸入/輸出駐波及多功能等特點(diǎn)外,低的插入相移是這種芯片的最顯著的特點(diǎn)。因此,這種電路可以用作：a）低插入相移條件下,作為DC50GHzMMIC可變衰減器,組成自動(dòng)損耗控制組件;b）在多倍頻程的矢量調(diào)制器中,在引入低插入相移時(shí)完成幅度調(diào)制和幅度調(diào)整功能;c）DC-50GHz的高性能吸收式（或稱匹配型）單刀單擲開關(guān);d）多倍頻程的脈沖幅度調(diào)制器;e）與寬帶放大器級(jí)聯(lián)組成寬頻帶、大動(dòng)態(tài)、衰減量隨控制電壓高線性變化的AGC（自動(dòng)增益控制）放大器。
2 設(shè)計(jì)
這種單片壓控可變衰減器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),總體考慮如下：
——根據(jù)電性能指標(biāo)要求,選擇合適的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)合理的開關(guān)MESMET;
——獲得DC-50GHz頻率范圍下開關(guān)MESFET的等效電路模型參數(shù)比例縮放方程;
——采用串聯(lián)和并聯(lián)開關(guān)MESFET兩個(gè)控制端等負(fù)載設(shè)計(jì)方法,簡(jiǎn)化電路和降低功耗。
圖1電原理圖
圖2芯片照片
由于這種電路工作時(shí),控制電壓是一組互補(bǔ)電壓,分別控制串聯(lián)和并聯(lián)的開關(guān)MESFET。電調(diào)過程中兩控制端的負(fù)載必須相同,否則壓控電調(diào)時(shí),駐波特性明顯惡化。通常設(shè)計(jì)直流參數(shù)電路來(lái)平衡兩控制端的負(fù)載使其相同,達(dá)到電調(diào)控制中改善駐波特性的目的。本文采用了設(shè)計(jì)時(shí)選定兩控制負(fù)載相同的方法,達(dá)到改善電調(diào)控制端中駐波特性的目的。過程如下：
——采用成熟的微波單片電路設(shè)計(jì)軟件（如AgilentEesof軟件）進(jìn)行電路的仿真和優(yōu)化;
——根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行版圖設(shè)計(jì);
——根據(jù)設(shè)計(jì)的版圖進(jìn)行二次仿真和優(yōu)化,并修改和確定版圖;
——選擇和設(shè)計(jì)合理的工藝途徑;
——工藝流片,微波在片測(cè)試。
電路原理如圖1所示,采用匹配型SPST的寬帶開關(guān)電路拓?fù)?開關(guān)臂兩端分別串聯(lián)吸收電阻器和開關(guān)MESFET并聯(lián)的支路以及多只與主傳輸并聯(lián)的開關(guān)MESFET組成,電路中采用了低色散、寬頻帶的共面波導(dǎo)傳輸線以展寬頻率帶寬。設(shè)計(jì)低插入相移功能的基本原理主要是利用相位相互抵消原理。即其電路物理概念為：串聯(lián)支路感抗引入的相位滯后和并聯(lián)支路容抗引入的相位超前相互抵消。電路設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要電性能指標(biāo)為：
——DC50GHz的頻率范圍;
——設(shè)法獲得最小衰減量及頻帶內(nèi)衰減量起伏;
——最小衰減量時(shí)的低輸入/輸出駐波;
——最大衰減量及頻帶內(nèi)衰減的平坦度;
——最大衰減量時(shí)的低輸入/輸出駐波;
——低相移衰減,盡可能小的衰減相移比。
電路設(shè)計(jì)采用AgilentEesof軟件,為獲得最佳電性能,不同的MESFET應(yīng)選取不同的最佳柵寬,因此設(shè)計(jì)中采用了模型參數(shù)比例縮放技術(shù)。電路模型參數(shù)提取采用HPIC-CAP軟件及相應(yīng)的模型參數(shù)提取系統(tǒng)。由于設(shè)計(jì)頻率高達(dá)50GHz,因而還采用了電路模型參數(shù)頻率擴(kuò)展和擬合技術(shù)以獲得DC-50GHz開關(guān)MESFET電路模型的設(shè)計(jì)參數(shù)。
