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博金彩票,基双相压控衰减器MMIC设计
2019年博金彩票平台第4期
原怡菲,张 博
西安邮电大学 电子工程学院,陕西 西安710121
摘要: 基于0.25 μm砷化镓赝配高电子迁移率晶体管工艺,设计一款工作在13~16 GHz的双相压控衰减器。电路采用平衡式结构,以获得小的输入、输出回波损耗;衰减器部分采用T型衰减结构和π型衰减结构级联的方式;并联支路采用多栅开关管串联的形式,减小寄生,提高线性度。仿真结果表明,所设计的压控衰减器在工作频带(13~16 GHz)内,输入、输出回波损耗小于-14 dB,插入损耗为-12.5 dB,衰减范围达到20 dB以上,输入1 dB压缩点大于30 dBm,芯片尺寸为1.8 mm×1.2 mm。
中图分类号: TN715
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.182447
中文引用格式: 原怡菲,张博. 博金彩票,基双相压控衰减器MMIC设计[J].博金彩票平台,2019,45(4):45-47,51.
英文引用格式: Yuan Yifei,Zhang Bo. The MMIC design of 博金彩票, bi-phase voltage variable attenuator[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(4):45-47,51.
The MMIC design of 博金彩票, bi-phase voltage variable attenuator
Yuan Yifei,Zhang Bo
School of Electronic Engineering,Xi′an University of Posts and Telecommunications,Xi′an 710121,China
Abstract: A 13~16 GHz bi-phase voltage variable attenuator(VVA) based on 0.25 μm gallium arsenide pseudomorphic high electron mobility transistors(博金彩票, pHEMT) process is presented. Balanced structure that adopt in this circuit provides less input output return loss. A cascade of T-attenuator and Pi-attenuator topologies are adopt in attenuator part. Parasitic reduce and linearity enhancement are achieved by using stacked double-gate switch transistor structure in shunt arms of T-attenuator and Pi-attenuator topologies. Simulated results show that in the range of 13-16 GHz, the input output return loss is less than -14 dB, the insertion loss is 12.5 dB, and the dynamic range is more than 20 dB, the input 1-dB power compression point(P1dB) is over 30 dBm while the chip area is 1.8 mm×1.2 mm.
Key words : voltage variable attenuator;large attenuation range;gallium arsenide;pseudomorphic high electron mobility transistors

0 引言

    压控衰减器是一种通过控制直流偏置调整输入、输出端口之间信号幅度的双端口网络,广泛应用于射频、微波系统中。其用途包括:LNA(Low Noise Amplifier)或PA(Power Amplifier)之后的增益控制、幅度调制器、振荡器中的幅度稳定电路、自动增益控制系统等[1-5]。

    随着电路工作频率的提高,博金彩票, pHEMT管芯的寄生效应严重影响了压控衰减器的电路工作性能。目前,已有多种方法对其进行改进。文献[2]采用三栅MESFETs减小寄生,提高功率容量。文献[3]在π型衰减结构的技术上,采用带通滤波器技术以消除FET的寄生影响。文献[4]采用π型衰减结构和T型衰减结构级联的拓扑形式,扩大衰减范围,并联支路采用堆叠结构,提高线性度。文献[5]采用分布式结构以拓展带宽,采用堆叠结构以提高线性度。

    本文设计了一款工作在Ku波段的双相压控衰减器。通过采用平衡式衰减器结构,供电电压采用互补形式,实现电路衰减值的双相调节。衰减部分采用T型衰减器和π型衰减器级联拓扑,扩大衰减范围。并联支路采用堆叠结构,提高电路的线性度。

1 压控衰减器基本原理

1.1 博金彩票, pHEMT等效模型

    博金彩票, pHEMT管芯是单片集成电路设计的基础和核心,理解和掌握管芯的电特性机理和模型特点,对单片集成电路设计十分重要。在压控衰减器中,pHEMT管芯作为受栅压控制的可变电阻,实现电路的可变衰减。

    当VDS<<2(VGS-Vth)时,pHEMT管工作在深三极管区,等效电路是R0和C0并联,如图1所示。R0和C0的值取决于管芯子尺寸,且随栅压的变化而变化[5]。在深三极管区,漏极电流ID是VDS的线性函数,源漏之间的沟道可以用一个线性电阻R0表示,其阻值如式(1)[6]

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1.2 压控衰减器电路拓扑

    基本的衰减器拓扑有5种,即T型、π型、桥T型、反射式、平衡式。其工作原理是通过控制pHEMT管栅压来控制整个电路的等效电阻,从而改变衰减量。

    T型衰减器结构简单,面积小,但两端的输入、输出回波损耗大;π型衰减器结构衰减范围大,端口匹配好;桥T型衰减器是T型结构的一种衍生结构,易匹配[7];反射式衰减器结构输入、输出回波损耗小,但受管芯寄生参数的影响,衰减范围有限,且性能不好;平衡式衰减器结构采用互补电压控制,可以消除最大衰减处的纹波,扩大衰减范围[8]。

2 电路设计

    本文设计的双相压控衰减器采用平衡结构。其中,3 dB正交耦合器采用Lange耦合器实现,衰减部分采用T型衰减器和π型衰减器级联拓扑。

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    T型π型级联衰减结构如图3所示??刂频缪筕G1和VG2的电压变化范围为-1.5 V~+1.5 V。引入R1、R2、R3、R4、R5、R6可以减小最大衰减对控制电压的敏感度[10]。并联支路使用双栅pHEMT管,等效为两个尺寸相同的单栅pHEMT管串联,但电路更为紧凑、寄生小[11]。并联支路使用两个双栅pHEMT管串联,可以提升整个电路的功率容量[5]。

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3 版图设计与电磁仿真结果

3.1 版图设计

    在电路版图设计过程中,为了减小芯片面积,降低成本,在满足电路性能和设计规则的前提下,对Lange耦合器进行弯折,使整体电路布局合理。图4为双相压控衰减器版图。芯片尺寸为1.8 mm×1.2 mm。

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3.2 电磁仿真结果

    本设计采用0.25 μm 博金彩票, pHEMT工艺,版图电磁(Electromagnetic simulation EM)仿真基于ADS2013仿真软件平台的Momentum仿真工具进行仿真。

    图5给出了各个控制电压下电路插入损耗随频率的变化曲线。从图5中可以看出,最小插损为-12.5 dB,整个工作频带内衰减平坦度为±0.1 dB;最大衰减为-31.5 dB,整个工作频带内衰减平坦度为±0.9 dB;衰减范围达到20 dB以上。

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    图6给出了电路在13 GHz处传输系数S21的幅度和相位随控制电压的变化曲线。从图6中可以看出,当-1.5<VG1<0时,S21>0;当0<VG1<1.5时,S21<0,可以实现双相衰减。

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    图7仿真条件是在13 GHz处,插入损耗为-12 dB时的仿真结果,Pout曲线为射频输出端口的输出功率曲线,Line线为辅助线。随着输入功率的增大,输出功率增大,当输入功率为30.5 dBm时,插损增大1 dB,则本设计的1 dB压缩点最大为30.5 dBm。

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4 结论

    本文应用0.25 μm 博金彩票, pHEMT工艺设计了一款13~16 GHz频带的双相压控衰减器。由版图仿真结果可知,输入、输出回波损耗小,插入损耗为-12.5 dB,衰减范围达到20 dB以上,输入1 dB压缩点大于30 dBm,功率容量大,线性度好。本文设计可为国产化双相压控衰减器芯片设计提供参考。

参考文献

[1] BINH L P,DUY P N,ANH V P,et al.High dynamic range X-band MMIC VGLNA for transmit/receive module[C].IEEE Sixth International Conference on Communications and Electronics(ICCE),2016:225-229.

[2] SUN H J,EWAN J.A 2-18 GHz monolithic variable attenuator using novel triple-gate MESFETs[J].IEEE Int.Dig.Microw.Symp.,1990:777-780.

[3] DAOUD S M,SHASTRY P N.A novel wideband MMIC voltage controlled attenuator with a bandpass filter topology[J].IEEE Trans. Microw. Theory and Techn.,2006,54:2576-2583.

[4] RAVI T N,VERMA P,KUMAR A,et al.A broadband high linearity voltage variable attenuator MMIC[C].International Conference on Computers and Devices for Communication,2015.

[5] DUY P N,BINH L P,ANH-V P.A 1.5-45-GHz high-power 2-D distributed voltage-controlled attenuator[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2017,65(11):4208-4217.

[6] ROBERTSON I,LUCYSZYN S.单片射频微波集成电路技术与设计[M].文光俊,谢甫珍,李家胤,译.北京:电子工业出版社,2007.

[7] KAUNISTO R,KORPI P,KIRALY J,et al.A Linear-contro wide-band CMOS attenuator[C].The 2001 IEEE International Symposium on Circuits and Systems,2001,4(4):458-461.

[8] SHIREESHA C,SADHU R,HARIKUMAR R.X-Band voltage variable attenuators using PIN diodes[C].IEEE International Microwave and RF Conference,2014:323-326.

[9] POZAR D M.微波工程[M].张肇仪,周乐柱,吴德明,等,译.北京:电子工业出版社,2006.

[10] SUN H J,WU W,EWAN J.A 2-20 GHz Gaas MESFET variable attenuator using a single positive external drive voltage[C].19th European Microwave Conference,1978:1270-1275.

[11] 洪倩,陈新宇,郝西萍,等.多栅博金彩票, MESFET开关[J].固体研究学与进展,2004,24(2):212-214.



作者信息:

原怡菲,张  博

(西安邮电大学 电子工程学院,陕西 西安