多功能DC-50GHz高性能MMIC壓控可變衰減器

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DC-50GHzMMIC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：
——DC-50GHz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)。

3制作

芯片采用南京電子器件研究所離子注入圓片工藝線制作，采用離子注入工藝具有較高的成品率和長期工作穩(wěn)定性。工藝包括Au/Ge/Ni歐姆接觸金屬化：0.5μm柵長Ti/Pt/Au肖特基勢壘柵；N＋、N－注入；離子注入電阻；金屬膜電阻；SiO2鈍化膜；微帶線；空氣橋；通孔接地；背面金屬化及電鍍等。工藝成品率高達(dá)80％以上，芯片間和圓片間的電性能具較好的一致性。芯片尺寸為2.33mm×0.68mm×0.1mm。芯片照片如圖2所示。信號輸入/輸出端均為共面波導(dǎo)接口，采用通孔接地和多重芯片鈍化技術(shù)，可靠性高?？刂贫司啃酒粋?cè)，便于安裝使用。

4性能

電性能測試采用HP8510C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和CascadeMicrotech微波探針臺組成的微波在片測試系統(tǒng)。測試的各種電性能參數(shù)如最小衰減；最小衰減時(shí)的輸入/輸出駐波；最大衰減；最大衰減時(shí)的輸入/輸出駐波；最小衰減與最大衰減的相移差。當(dāng)V1為0V，V2為負(fù)極性的FET夾斷電壓VP時(shí)，對應(yīng)最小衰減態(tài)。當(dāng)V1為VP，V2為0V時(shí)，對應(yīng)最大衰減態(tài)。當(dāng)V1從0V逐漸減小到VP，V2從VP同步逐漸增加到0V時(shí)，衰減量從最小變化到最大，反之亦然。芯片通過了高、低溫儲存，高、低溫沖擊，高、低溫工作，鍵合，剪切和工作環(huán)境溫度為125℃的1000小時(shí)工作壽命等實(shí)驗(yàn)。

5結(jié)論

開發(fā)成功的低相移、多功能DC-50GHz高性能MMIC壓控可變衰減器,具有良好的電性能、較高的工藝成品率和高可靠性,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有一定的實(shí)用性。