(10～20)GHz低附加相移数控衰减器设计

相控阵雷达是一种集成了多种功能的一体化雷达，由大量的天线单元组成雷达天线阵列。控制阵列中各单元发射特定幅度、相位的电磁波在空间中形成波束，通过改变各单元的幅度、相位合成不同的波束实现波束扫描^[1]。精确的幅度相位控制是相控阵性能的关键，数控衰减器是整个幅度相位控制的核心器件之一，在幅度控制过程中要求有精确的衰减量来准确地实现系统的幅度控制及旁瓣电平调节，同时需要在各种衰减状态下的附加相移变化尽可能的小以减小定位误差及降低电路的校准难度^[2]。

1 芯片电路整体结构

本文设计的衰减器的电路由6 位衰减量不同的基本衰减位级联而成，每个基本的衰减单位都由独立的互补数字电平控制，通过对串联开关管和并联开关管的控制实现参考态和衰减态之间的切换。根据每一个基本衰减态的端口特性，电路按照2、1、8、0.5、16、4 dB 的排列方式实现，在一些基本衰减单元之间，加入电感与电路的寄生电容谐振来实现更好的级间匹配，以便可以实现更好的幅度、相位特性^[3]。整体结构如图1 所示。

2 衰减器设计

2.1 小衰减位设计

0.5 dB 与1 dB 衰减位采用的是如图2 所示的变形T 型结构，采用电阻与开关管串联到地实现，开关管采用3 个小尺寸的管子串联，可以极大的降低开关管截止状态的关断电容实现更好的相位特性。同时在输入输出端加入特定长度的传输线，可以保证优秀的输入输出驻波系数。

当控制电压Vctl1 为低电平时，SW1 截止，衰减位工作在导通状态；当控制电压Vctl1 为高电平时，SW1导通，衰减位工作在衰减状态。这种结构具有使用器件少，插入损耗低的特点。

2.2 中等衰减位设计

2 db 与4 db 衰减位采用的是如图3 所示的Pi 型衰减网络结构。该结构采用在Pi 型电阻网络中加入开关管控制通断实现，具有两条到地的信号通路，可以在衰减状态下更大的衰减状态，适合于中等及大衰减位的设计^[4]。

当控制电压Vctl1 为高电平Vctl2 为低电平时，SW1导通SW2 截止，衰减位工作在导通状态；当控制电压Vctl2 为低电平、Vctl1 为高电平时，SW1 截止SW2 导通，衰减位工作在衰减状态。

2.3 大衰减位设计

8 dB 与16 dB 衰减位采用的是如图4 所示的开关路径衰减器结构，该结构包含两个单刀双掷开关、1 个电阻衰减网络及1 段传输线，其中单刀双掷开关实现参考通路与衰减通路的选通，Pi 型电阻衰减网络用于实现衰减态的信号衰减，传输线用于补偿参考路径与衰减路径之间的相位差。

当Vctl1 为高电平、Vctl2 为低电平时，SW1~SW4 导通，SW5~SW8 截止，单刀双掷开关切换到参考路径，此时衰减位处于参考态。当Vctl1 为低电平、Vctl2 为高电平时，SW1~SW4 截止，SW5~SW8 导通，单刀双掷开关切换到衰减路径，此时电路处于衰减状态。

3 相位补偿

由于电路中开关管、电阻、电容及电感的寄生参数影响，各衰减位在衰减态下与导通态下相比存在附加相移，为了尽可能的较小附加相移，本文采用了电感电容补偿技术。小衰减位中使用元器件较少且采用多个小尺寸开关管并联到地的结构，附加相移很小，不需要采用相位补偿。其余衰减位因结构更复杂，需要引入电容补偿^[5]。

图5（a）中给出了Pi 型衰减在参考态的等效电路图。在参考状态下SW1 表现为导通电阻R_on1，SW2 与SW3表现为关断电容C_Off2与C_Off3^[6]。因为R1 电阻远大于开关管的导通电阻，所以信号基本从传输阻抗低的开关管等效导通电阻传输，此时消耗在等效电阻上的信号损耗表现为衰减位的插入损耗。而两条由关断电容与衰减电阻串联到地的通路可以等效看成一个低通通路，会造成输出信号相位相比与输入信号相位滞后。

图5 Pi型衰减等效原理图

图5（b）给出了Pi 型衰减在衰减态的等效电路图。在衰减状态下SW1 表现为一个关断电容C_off1，SW2 与SW3 表现为导通电阻R_On2 与R_On3^[7]。因为C_off1 的传输电抗值远大于开关管等效电阻与衰减电阻组成的衰减网络电抗值，所以信号基本从电阻衰减传输，此时消耗在电阻衰减网络上的信号损耗表现为衰减位的衰减量。开关管的关断电容此时可以等效看成一个高通通路，会造成输出信号相位相比与输入信号相位超前。

图5 Pi型衰减等效原理图

为了实现衰减状态下的低附加相移，需要加入电容补偿。通过在R2、R3 上并联补偿电容C_p，形成等效的低通滤波结构，可以有效的实现相位补偿。通过选择合适的电容值，能够在基本不影响衰减单位衰减值的情况下实现低附加相移。大衰减位的结构更复杂，相比与Pi 型衰减结构增加了两个单刀双掷开关，因寄生参数引起的附加相移更大，所以在到地电阻R2、R3 上并联补偿电容的同时需要在R1 电阻两端加入补偿电感。

如图6 所示为16 dB 衰减位相位补偿前后的相位特性图。图中红色实线为相位补偿后附加相移特性曲线，蓝色虚线为相位补偿前的附加相移特性曲线。可以看出经过相位补偿后，16 dB 衰减位的附加相移有显著的降低。

图6 16dB衰减位相位补偿特性图

4 仿真结果

如图7 所示，在（10~20）GHz 频率范围内，衰减器的输入驻波系数低于1.4。如图8 所示，输出驻波系数低于1.5。如图9 所示，衰减器的插入损耗小于4.8dB。如图10 所示，衰减器的64 个相对衰减态，从图中可以看出在整个频段内各个衰减态没有交叠且每一个衰减态有较好的平坦度。如图11 所示，衰减器的64 个衰减态的附加相移，可以看出衰减器的所有衰减态的附加相移范围为−3°～3°。

图7 输入驻波系数

图8 输出驻波系数

图9 插入损耗

图10 相对衰减量

图11 衰减态附加相移

5 结束语

本文设计了一款基于GaAs 0.25 μm pHEMT 工艺的6 位低附加相移数控衰减器芯片，步进0.5 dB，最大衰减量为31.5 dB。在（10 ~ 20）GHz 频率范围内插入损耗< 4.8 dB ，所有衰减状态精度< ±0.3 dB 、附加相移<±3°，输入驻波系数<1.4，输出驻波系数<.5。

参考文献：

[1]方兆昱.6~18 GHz CMOS六位数控衰减器设计[D].南京:东南大学,2021.

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

[3] 周守利,张景乐,吴建敏,等.Ku波段微波单片集成电路6位数字衰减器设计[J].强激光与粒子束,2019,31(12):123.

[4] 张岩龙,庄奕琪,李振荣,等.一种5~20 GHz低插损低相位误差的CMOS衰减器[J].西安电子科技大学学报,2015,42(2):90.

[5] 邓青,汪粲星,万川川,等.用于X波段相控阵系统的高线性度低附加相移数字衰减器设计[J].电子与封装,2017,168(4):16.

[6] 刘凡,熊翼通,刘志伟.一种X波段低附加相位的6位单片数控衰减器[J].电微电子学,2018,48(2):232.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2023年5月期）