新颖的超小型多倍频程5位GaAs数字移相器

1引言
    移相器在新一代移动通信、电子战、有源相控阵和智能天线等系统中获得广泛的应用。采用PIN二极管的微波控制电路（开关、移相器和衰减器等），由于不便于集成和控制时有功耗，所以体积大、相控阵大阵面使用时功耗大，使系统中的电源和散热部分十分复杂。其应用在许多场合受到限制。砷化镓微波单片集成电路移相器由于体积小、重量轻、开关速度快、无功耗、抗辐射、可靠性高和电性能批量一致性好等显著优点，倍受欢迎。尤其在体积、功耗、开关速度等要求苛刻的应用系统和新一代的许多军用、民用电子系统中，将依靠砷化镓微波单片集成电路技术来满足其中的许多苛刻要求。移相器在电子系统中的主要作用是调整系统接收/发射时电路中的信号相位。新一代商用和军用的电子系统中许多关键部件和电路（如电子战、有源相控阵雷达和新一代移动通信空间分集多址系统中的收/发组件；各种需要信号相位正交的电路等）都有赖性能高、体积小、重量轻、开关速度快、无功耗、可靠性高、电性能批量一致性好和造价低的数字和模拟移相器来实现，砷化镓单片集成电路数字和模拟移相器正好迎合了这一要求。另外，在相控阵系统中，微波收/发组件占系统总造价的70％～80％，移相器又是微波收/发组件中的关键电路，其造价在微波收/发组件造价中占有很大的比例，所以吸引了世界上许多人的关注。
2移相器的设计
2．1总的考虑和步骤
    一般根据电性能指标和芯片尺寸等要求，砷化镓微波单片集成电路数字移相器的设计总的考虑如下：（1）针对不同的相移位选取相应的电路拓扑；（2）根据GaAsMMIC制片工艺线的特定工艺条件和电路模型参数提取系统获得电路设计中所需的电路模型参数，特别是多倍频程开关MESFET电路的模型参数；（3）根据提取的电路模型参数和相应的计算机拟合技术获取比例缩放经验公式；（4）根据不同的相移位选定的相应电路拓扑和多倍频程开关MESFET电路模型参数，借助计算机和相关软件进行设计和优化；（5）根据优化结果进行版图设计；（6）根据设计的版图进行整体分析和二次优化，再确定版图；（7）大圆片制作；（8）微波探针在片测试。
2．2电路设计
    整个移相器由5位（180°、90°、45°、22.5°、11.25°）不同的数字移相器级联而成，每个相移位的电原理如图1所示。其中，180°位是开关型宽带电路拓扑；90°是反射型宽带电路拓扑；45°、22.5°和11.25°采用超小型、传输型宽带移相电路拓扑，有利于降低插入损耗和减小芯片面积，其中45°位由两个22.5°位级联而成。图中的Y1和Y2对应不同的特定设计的网络，该网络由开关MESFET、电阻器、交指电容器、电感器组成。180°位由一组两个互补的0V和VP的电压来控制以完成移相，VP是负极性开关MESFET的夹断电压；其它位均由单独的0V或VP来控制完成移相。电路中每只开关MESFET的栅极与控制信号源之间均串联2.5kΩ电阻器以提供足够的射频隔离。

    设计中，为了保证5位移相器级联后的相互影响最小，每一位的输入/输出反射损耗应小于－20dB,整个设计的完成要综合各个指标，还要考虑版图的寄生效应。电性能参数在要求的频带内一般要考虑如下因素：（1）低相移起伏；（2）低插入损耗和起伏；（3）各态间的插入损耗差小；（4）低输入/输出驻波比；（5）高相移精度。
3制造
    移相器芯片的制造采用南京电子器件研究所的标准GaAsMMIC离子注入制片工艺，制造中采用工艺监控技术以确保高成品率。工艺中包括Au/Ge/Ni欧姆接触金属化；0.5μm栅长Ti/Pt/Au肖特基栅；N＋、N－离子注入；离子注入电阻器；金属膜电阻器；SiO2钝化层；MIM电容器；微带线；空气桥；芯片钝化；通孔接地；背面电镀等。芯片尺寸为4.2mm×2.5mm×0.1mm。
4性能
    5位移相器芯片的电性能测量采用HP8510C矢量网络分析仪和CascadeMicrotech微波探针台组成的微波在片测试系统。测量的各种电性能参数，如相移、插入损耗、输入/输出驻波比示于图2。