X波段GaAs单片五位数字移相器.pdf

An X-band GaAs Monolithic Five-bit Digital Phase Shifter
SHEN Huajun1 YANGRuixia1
WANGTongxiang2 WUAhui2 XIEYuanyuan2 QIUXu2
1 . School of Information Engineering , Hebei University of Technology, Tianjin 300130 , P .R.China ;
2 . Hebei Semiconductor Research Institute , Shijiazhuang 050051 , P .R.China ( )
Abstract : An X-band 5-bit GaAsMMIC phase shifter usingMESFETs as switches has been designed and fabricated ,
which phase shift bits are cascaded in a linear arrangement .Over 9 GHz to 10 GHz , its microwave performances measured
usingHP-8510 network analyzer showed that the phase shifter’s insertion loss is (7.2±1) dB,and RMSphase error
is less than 5°.While the return loss is better than-13 dB over the frequency range .
Key words : X-band ;MMIC;phase shifter
EEACC : 2520D;1350H
X 波段GaAs 单片五位数字移相器①
申华军1 杨瑞霞1 王同祥2 吴阿惠2 谢媛媛2 邱 旭2
1 .河北工业大学信息工程学院,天津 300130 ;
2 .河北半导体研究所,石家庄 050051 ( )
摘要:设计并制作了X波段五位GaAsMMIC(微波单片集成电路)数字移相器,采用MESFET 作为开关元件,五个移
相位线性级联布置。在9～10 GHz 的频率范围内,用HP- 8510 网络分析仪测试得到的微波性能表明:移相器的插
入损耗为(7.2±1) dB ,RMS(均方根)相位误差小于5°,回波损耗优于- 13 dB。
关键词:X波段;MMIC; 移相器
中图分类号:TN454 文献标识码:A 文章编号:1005 - 9490(2003)02 - 0229 - 04
移相器是相控阵雷达中用于实现电控扫描波束
移相功能的基本电路。对于机载雷达用高密度集成
收发(T/R)组件应用,为了实现移相器电路的最小
尺寸和重量,低功耗和低成本,主要采用单片微波集
成电路技术来设计、制作移相器。由于多位移相器
工作状态及技术指标较多,因此制作实现一个性能
较好的单片移相器难度较大。由于移相器电路的重
要性且其成本直接决定T/R 模块的成本,因而吸引
了许多研究者的目光[ 1 ～ 4 ] 。
本文描述了X 波段GaAsMMIC 五位数字移相
器的设计制作过程,电路由五个移相位级联而成,小
度数移相位采用加载线型电路,大度数移相位采用
反射型电路,在9～10 GHz 的频率范围内取得了较
好的微波性能。
1 MESFETs 开关特性
尽管MESFET 是三端口元件,但当栅极加控制
偏压时,源极和漏极间可以实现开关动作。MESFET
第26 卷第2 期
2003 年6 月
电 子 器 件
Chinese Journal of ElectronDevices Vol .26 ,No .2
June .,2003
①
收稿日期:2002 - 10 - 26
作者简介: 申华军(1977)男,2000 年毕业于河北工业大学电子工程系,获学士学位。现为河北工业大学微电子学与固体电
子学专业硕士研究生。主要研究方向为:半导体器件结构物理及GaAs 微波单片集成电路设计,s .hj @ eyou .com.
作为开关应用时,栅泄漏电流很小,直流功耗很低,
是一个无源元件。
常用集总参数模型来表征MESFET 开关的导通
和截止两种状态,典型的MESFET 开关模型如图1
所示,Rch 为沟道电阻,Rs 和Rd 分别为沟道至源极
和漏极的电阻,Cds 为源漏间电容,Cgs 和Cgd 分别为
栅源和栅漏的结电容。这些参数的取值与MESFET
的结构,有源层掺杂浓度和沟道夹断电压Vp 等参数
相关。
图1 MESFET开关模型
当MESFET 栅电极加零偏压时,栅下耗尽层很
薄,沟道呈导通状态,源漏之间等效成一个小电阻;
当栅加负偏压且数值超过MESFET 的沟道夹断电压
时,栅下沟道全部被耗尽夹断,源漏之间等效为一个
大电阻和电容的并联。
MESFET 作为开关应用时,由于源极和漏极的电
位相等,均为地电位,栅极和漏极没有射频隔离,栅
偏置电路的阻抗影响源漏间的等效阻抗,因此,栅偏
置电路通常采用低通滤波网络或栅极加一大电阻来
实现栅极的射频隔离。在电路设计中控制电压通过
一个2.5 kΩ 的有源电阻为栅极提供偏置,实现栅极
的有效射频隔离。
2 移相器电路设计
移相器电路由五个数位移相位线性级联排列,
分别对应于180°,90°,45°,22.5°和11.25°移相位,实
现从0°到360°以11.25°为增量的相位递增。
加载线型移相器电路形式简单,引入电路的插
入损耗小,且小角度移相时的驻波和移相精度较好,
因此电路中11.25°,22.5°和45°移相位设计均采用加
载线型电路。为避免微带线过细带来的加工误差以
及低的成品率,11.25°移相位采用单加载线配置;其
余两位为双加载线配置,加载线间距离四分之一波
长以获得最佳的电压驻波比。加载线电路的加载支
节由一个合理设计的两节变换匹配网络组成,匹配
网络以1 200 μm栅宽的MESFET 开关作为终端。在
电路布局上将11.25°移相位放置在中间,以使整个
电路在设计带宽上具有最佳的VSWR。
180°和90°移相位采用反射型电路,使用3 dB 兰
格耦合器实现输入和输出信号的分离,合理设计耦
合器端口与MESFET 开关之间匹配网络的拓扑和传
输线参数。通过控制MESFET 开关的偏置状态(0 V
和小于- |Vp |)改变MESFET 开关的等效阻抗,使得
两种状态下反射信号的相位不同,从而使输出信号
产生两种相位状态,其相位差即为所要求的相位移。
在设计中90°和180°移相位分别采用了不同的匹配
网络拓扑。优化电路微带线参数和MESFET 尺寸,
使VSWR 最佳,且差损最小。
CAD设计并优化每一个移相位,使每一个移相
位都具有至少小于- 15 dB 的回损,因而可以不考虑
移相器各独立移相位之间的交扰,各移相位之间以
50 Ω 微带线连接。应用Microwave Office (AWR ,
Inc .)微波设计软件设计仿真每一位移相电路,电路
的最终设计包括了传输线的损耗,电路和版图的不
连续性组件等考虑。
移相器电路的版图如图2 所示,为了减小整个
芯片的尺寸,折叠微带线并留出足够大的线间距,以
避免线间寄生耦合的发生;并折叠兰格耦合器使90°
和180°移相位的尺寸与其它相位的芯片尺寸保持一
致。每一位电路的设计接口均为50 Ω,因此可以对
每一位电路进行单独测试。
图2 移相器电路设计版图
3 电路制作
电路是在HSRI(河北半导体研究所)GaAsMMIC
工艺线上制作完成的。材料结构包含高掺杂的欧姆
接触层,中度掺杂的有源层和在半绝缘GaAs 衬底上
生长的未掺杂缓冲层。加工工艺有离子注入隔离和
浅台面腐蚀实现器件隔离;Ni/AuGe 欧姆接触;腐蚀
栅凹槽,0.5 μmTi/Pt/Au 金属栅;Si3N4 钝化;空气桥
0 3 2 电子器件 第26 卷
互连;电镀金加厚;芯片减薄(至100 μm) ;通孔;背面
电镀;分片及芯片测试。工艺加工过程采用PCM( 工
艺控制图形)技术进行工艺质量监控。
4 性能测试
移相器的性能测试是将电路芯片装载在测试夹
具的镀金载体上进行的,输入和输出端口用双键合
线键合在50 Ω 微带线上。图3 是装载了移相器电
路的测试夹具照片,夹具上安装有SMA 测试接头。
图4 分别列出了电路的各项性能参数:相位,回波损
耗和插入损耗(使用HP - 8510B 网络分析仪测量) ,
和RMS(方均根)相位误差。测试得到的五个主要相
位移和优化仿真的结果基本一致,对相位误差较大
的180°移相位,相位波动在±4.5°内。在9～10 GHz
的频率范围内移相器电路的插入损耗为(7.2±1.1)
dB ,回波损耗优于- 13 dB ,RMS 相位误差小于5°。
图3 移相器电路测试夹具图(含电路芯片)
图4 移相器电路的测试性能
1 3 2 第2 期 申华军,杨瑞霞等:X波段GaAs 单片五位数字移相器
5 结 论
本文描述了X 波段五位GaAsMMIC 移相器的
设计,制作和性能测试,移相器电路采用MESFET 作
为开关元件,五个移相位线性级联排列,在9～ 10
GHz 的频率范围上具有较好的微波性能。
感谢河北半导体研究所一专业部全体工艺人员
和计量维修中心测试人员在电路制作和测试中给予
的支持和帮助。
参考文献
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3 总 结
以上我们主要介绍了手持信息终端系统的构
成,GPS 模块的特点,GPS 信息数据的处理方法,以
及GPS 与GIS 坐标之间转换的算法。由于实验条件
和技术水平的限制,目前我们在很多方面还存在不
足之处,主要体现在我们的整个应用系统还处于演
示阶段,没有把我们已经掌握的GPS 技术和GIS 供
应商结合起来;另外我们只是利用GPS 供应商提供
的模块,还没有形成自己的技术优势。鉴于此,我们
在今后一段时间还需要做的工作是寻找合适的GIS
供应商,尽快把GPS 技术推广到人们的生活和工作
实践中,为提高人民的生活水平作出贡献。
参考文献
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[5] 王广运,李洪涛.准载波相位差分GPS 测量[J] .导航,
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2 3 2 电子器件 第26 卷

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