【学术论文】GaAs基双相压控衰减器MMIC设计

sukiyaki

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。

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，GaAs 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 GaAs pHEMT等效模型

    GaAs 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)

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。

   T型π型级联衰减结构如图3所示。控制电压VG1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]。

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。

3.2 电磁仿真结果

    本设计采用0.25 μm GaAs 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。

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。

   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。

4 结论

    本文应用0.25 μm GaAs 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。

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