小型化6～18_GHz数控移相器的设计应用_张坤.pdf

电子工艺技术Electronics Process Technology62023年1月第44卷第1期摘要：基于0.15 m砷化镓赝高电子迁移率晶体管（PHEMT）工艺研制了一种618 GHz六位数控移相器，并将其应用在多功能芯片的设计中。根据移相器的带宽要求，5.625、11.25、22.5采用桥T型全通网络结构，45、90和180采用开关选择型全通网络结构。六位数控移相器的有效面积小于3 mm0.8 mm，在片测试结果表明，芯片在618 GHz的频带内移相精度3.5，附加调幅范围介于-0.80.8 dB之间。关键词：砷化镓 PHEMT；数控移相器；全通网络中图分类号：TN402文献标识码：文章编号：1001-3474（2023）01-0006-04Abstract:A 618 GHz digital phase shifter is developed based on 0.15 m GaAs PHEMT process,and it is applied in the design of a multi-function chip.According to the bandwidth requirements of the phase shifter,the bridge T-type all-pass network is adopted for 5.625,11.25 and 22.5,while the switch selective all-pass network is adopted for 45,90 and 180.The active area of this phase shifter is less than 3 mm0.8 mm.On-wafer measurement results of the developed MMIC chip in the 618 GHz band show that the RMS phase error of 64 states is less than 3.5,additional amplitude variation of the phase shifter is between-0.8 and 0.8 dB.Keywords:GaAs PHEMT;digital phase shifter;all-pass network Document Code:A Article ID:1001-3474(2023)01-0006-04小型化618 GHz数控移相器的设计应用Design and Application of Miniaturized 618 GHz Digital Phase Shifter张坤，刘云刚，韩思杨，卢子焱ZHANG Kun,LIU Yungang,HAN Siyang,LU Ziyan（中国电子科技集团公司第二十九研究所，成都 610036）(The 29th Research Institute of CETC,Chengdu 610036,China)0 引言随着微波毫米波系统向着小型化、低成本及轻质化的方向发展，作为主要器件的移相器，其要求越来越高。单片宽带移相器多采用Lange桥反射式结构，该结构通过改变反射负载的阻抗继而改变反射系数的相位实现移相，可实现23倍频程带宽，且具有损耗小的特点，但其面积较大，难以适应微波毫米波系统高集成度及低成本的要求。本文基于0.15 m 砷化镓 PHEMT工艺设计了一种618 GHz六位数控移相器，采用全通网络结构，其有效面积小于3 mm0.8 mm，在片测试结果表明，芯片64态移相均方根（RMS）3.5，64态附加调幅范围介于-0.8 0.8 dB之间。1 工作原理1.1 全通网络工作原理全通网络正在越来越多地应用到模拟及数字移相器的设计中，采用全通网络设计的移相器可在宽带范围内有良好的阻抗匹配，从而实现小的插入损耗及回波损耗。常见的全通网络有两种结构，如图1所示，两种结构具有相同的S参数，本文以串联电容型结构为例，对全通网络的性能进行分析。由于全通网络为无源对称结构，可采用奇偶模方法进行分析，图2为对称形式的全通网络，该结构作者简介：张坤(1 9 8 6-)，女，硕士，毕业于东南大学，工程师，主要研究方向为微波电路设计。doi:10.14176/j.issn.1001-3474.2023.01.002微系统技术第44卷第1期7图3 全通网络奇偶模等效电路图4 磁耦合全通网络图5 全通网络移相器结构图2 对称形式的全通网络(a)奇模等效电路 (b)偶模等效电路（a）磁耦合电感版图实现 （b）磁耦合全通网络结构图(a)开关选择型 (b)桥T 型图1 经典全通网络结构(a)串联电容型 (b)串联电感型C/2L/2C2L2CLLLLkCsCpLCCLLCCCCLL的奇偶模等效电路分别如图3(a)和图3(b)所示。通过推导，奇偶模反射系数及分别为：（1）（2）式中：，。Z0为系统的特征阻抗；为角频率。在实际电路设计中，需要考虑面积因素，全通网络多采用电感互绕的方式实现，如图4(a)所示，这种结构实现的全通网络因在两个电感之间引入了磁耦合，又被称为磁耦合全通网络，文献1给出了磁耦合全通网络结构，如图4(b)所示，并通过分析得出该结构具有全通网络的频率响应特性。LLL1kkk1CsCsC1F1Cs 1CpCpCp 1C2LLL11.2 全通网络移相器工作原理利用全通网络实现移相主要有两种结构：1）开关选择型全通网络结构；2）桥T型全通网络结构。开关选择型全通网络移相器由一对单刀双掷开关及参考态/移相态全通网络构成，如图5(a)所示。通过单刀双掷开关选择不同的信号路径，实现相位切换。磁耦合全通网络的插入相位2-3可表示为：（5）其中：（6）（7）由式(5)可以看出，当0时，磁耦合全通网络的插入相位0，从而使两路全通网络的相位差在低频时趋于0，通过在参考态引入一个高通网络（HPF），可以对低频相位做补偿，增大低频的相位差值，在所需频段内实现期望的移相量，如图6所示，本次设计中高通网络采用单个电容来实现。该网络的S参数S11及S21分别为：（3）（4）可以看出，若Z=1，则S11=0，与频率不相关，即若选择合适的L及C值，理论上可以使全通网络在全频带内匹配。图6 引入高通网络前后相位变化频率/G H z相位/（）频率/G H z相位/（）桥T型全通网络移相器结构如图5（b）所示，该结构通过引入管芯-电容可变单元对全通网络的串/并联等效电容值进行调节，从而实现移相。图5(b)给出了可变单元在管芯导通-截止两种状态下的等效电路。由于移相器采用的电感/互感为固定值，在电容改变时无法同时匹配两种状态，因此只能在两种状态之间进行折衷处理，从而限制了该结构的带宽及移相量。2 芯片设计本次设计的移相器为六位数控移相器，由5.625、11.25、22.5、45、90、180张坤，等：小型化6 1 8 G H z 数控移相器的设计应用2023年1月电子工艺技术Electronics Process Technology8频率/G H z基态插入损耗/d B频率/G H z附加调幅/d B (a)基态插入损耗 (b)全态附加调幅电压驻波比电压驻波比频率/G H z移相R MS/（）(c)全态输入驻波 (d)全态输出驻波 (e)主要态移相精度 (f)6 4 态移相R MS频率/G H z频率/G H z图7 六位数控移相器仿真结果图8 多功能芯片实物图1 8 0 移相5 b i t 移相0.8 mm相移/（）频率/G H z5.6 2 5 1 1.2 5 2 2.5 4 5 9 0 1 8 0 本次设计采用ADS仿真软件进行电磁仿真，先进行移相子单元的仿真，再进行级联仿真，根据级联仿真的结果绘制版图，同时需要根据版图的布局对级联仿真做进一步的调整，将版图绘制完成后，去掉有源管芯部分，对无源电路部分进行电磁仿真，再与管芯模型在原理图中进行联合仿真，得到的仿真结果如图7所示。仿真结果显示：采用全通网络移相器可以实现较高的移相精度（0.55.625，0.711.25，122.5，145，190，1.5180），在618 GHz频带内，64态移相RMS小于1.7，附加调幅介于-0.6+0.4 dB之间，带内输入输出回波损耗均小于-15 dB。本次设计的六位数控移相器被应用在了一种618 GHz多功能芯片的设计中，芯片实物如图8所示，考虑多功能芯片的增益分配问题，六位数控移相器被分成了两部分，5.625/11.25/22.5/45/90为一部分，180为另外一部分，在进行版图布局时，对不同的移相单元之间以及移相器与其他子电路之间留有了一定的间距，以减小电路间的耦合效应，对于比较长的传输线则采用共面波导来实现，六位移相的实际有效面积小于3 mm0.8 mm。六个移相单元组成，最小步进为5.625，可以在0354.375范围内实现以5.625为步进的64个移相状态。由于移相器工作频段为618 GHz，带宽较宽，在进行移相器拓扑结构选取时应综合考虑带宽、插入损耗及移相精度等多方面的因素。开关选择型全通网络移相器可实现的移相范围较大，理论上六个移相单元都可以采用该结构实现，但从图5(a)可以看出，该结构引入了两个单刀双掷开关来实现信号路径的切换，每个单刀双掷开关在18 GHz处都有约1.2 dB的插入损耗，这就导致了该结构存在插入损耗大的弊端，同时该结构的面积与桥T型全通网络移相器结构相比也偏大。因此在本次设计中仅180、90、45移相单元采用了开关选择型全通网络结构以保证带宽及移相精度，22.5、11.25及5.625单元采用桥T型全通网络以减小总体插入损耗及面积。开关选择型全通网络结构在进行仿真时可将电路分为全通网络及单刀双掷开关两部分，分别对两个子部分进行仿真，使之分别匹配到50，再进行总体仿真微调，这样仿出来的移相单元具有良好的匹配特性，同时避免了过多参数同时优化。在进行全通网络仿真时，可首先采用理想的电感电容等元器件仿真出电感量、互感系数及电容的初值，再进行实际元器件的替换，由于实际电感电容存在寄生效应，尤其是互感网络，其本身的寄生电容效应会随频率的增加而加大，等效的电感值及互感系数会随频率而变化，需要对互感线圈的线间距、线宽、线长度等进行多次调整和迭代。在进行单刀双掷开关仿真时，要保证单刀双掷开关具有较好的隔离度，以减小参考态与移相态两路信号之间的互扰，本次设计采用的单刀双掷开关为一串一并结构，在618 GHz频带内隔离度均大于17 dB。桥T型全通网络结构进行仿真时需要对移相电路进行整体调谐优化，由于开关是嵌入电路中，同时参与参考态及移相态的匹配中，开关参数发生变化时会对两个状态都产生影响，因此在进行电路仿真时需要同时关注两个状态的性能。移相器开关采用Win PE15工艺自带的耗尽型pHEMT开关管，其管芯开启电压约为-1 V，开关工作电压采用0 V/-5 V。为减小直流及射频通路之间的串扰，需要在开关的栅极串一个大电阻，同时该电阻的阻值不能太大，以免对开关时间产生影响，本次设计中采用的栅极电阻约为6 k。在进行移相器子单元的仿真时需要保证各单元具有较小的驻波，这样级联起来才能实现比较好的匹配，从而减小不同单元之间的失配对性能的影响。（下转第1 7 页）第44卷第1期17散角分别为273/213，远场光斑分布呈近圆形，圆形光斑有利于提高光纤的耦合效率，降低封装成本。3 结论本文通过干法刻蚀加湿法腐蚀的工艺，制备出了表面光滑平整、侧壁连续的MESA结构，再利用二次外延实现掩埋结结构，3英寸圆片的深度均匀性由30%改善到6%，掩埋结有源区宽度均匀性由40%改善到8%。使用该掩埋结技术制备出了1 550 nm大功率激光器，腔长900 m，阈值电流约12 mA，在300 mA工作电流下可达100 mW的功率输出，快轴发散角为27，慢轴发散角为21，整片区域内测试参数稳定性较高，光束质量良好。参考文献1江剑平.半导体激光器M.北京:电子工业出版社,2000:81.2段利华,方亮,周勇,等.双沟平面掩埋结构SLD的液相外延生长及漏电分析J.半导体光电,2012(3):342.3唐龙谷,田坤,黄晓峰,等.基于Cl2基气体的InP/InGaAs干法刻蚀研究J.半导体光电,2009(3):396.4FURUHATA N,MIYAMOTO H,OKAMOTO A,et al.Chemical dry etching of GaAs and InP by Cl2 using a new ultrahigh vacuum dry-etching molecular-beam-epitaxy system J.J.Appl.Phys.,1989,65(1):168.5FADL A A,COLLIS W,MAANAKI S,et al.Selective etch-back and growth of InGaAs on(100)Fe:InP by electroepitacyJ.J.Electron:Materials,1990,19(1):111.（收稿日期：2022-09-09）4 结束语采用Win GaAs PE15工艺设计了一款618 GHz数控移相器，并将其应用到了多功能芯片设计中。结合工艺器件特性及工作频段要求，对不同的移相单元选取不同的拓扑结构，并对芯片进行了整版电磁仿真，最终实现了比较好的测试结果。本次设计的移相器面积小、结构紧凑，性能优越，在雷达及电子对抗领域有着巨大的应用前景。参 考 文 献1 LI H Y,FU J S.Analysis of magnetically coupled all-pass network for phase-shifter designJ.IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,2014(9):2025.2 HUANG J J,LI H Y,Fu J S.A 4-bit broadband CMOS phase shifter using magnetically coupled all-pass networksC/2016 11th European Microwave Integrated Circuits Conference(EuMIC).London,UK:IEEE,2016:117.3 MAURO F,LUCA P.0.88 GHz 4-bit MMIC phase shifter for T/R modulesJ.International Journal of Microwave and Wireless Technologies,2015,7:317.（收稿日期：2022-11-26）3 测试及分析对流片加工后的多功能芯片进行在片测试，其中移相器的在片测试结果如图9所示。由于各主要态移相量在1617 GHz处均偏小，导致移相RMS误差在1617.4 GHz频带内大于3，其余频点移相RMS误差均处于3以内，移相64态附加调幅范围介于-0.8 0.8 dB之间，移相精度可通过后仿进一步优化。开关选择型全通网络结构的参考态和移相态采用的开关为同一尺寸，开关模型有偏差也不会对移相精度造成很大影响，因此移相的偏差极有可能是互感网络的仿真偏差引起，本次设计中并未放置单独的互感网络子电路，所以难以进行验证，后续改版时可增加相应的验证电路，通过测试仿真对比，反过来指导仿真设置，提高电路仿真的准确度。（上接第8 页）张奇，等：掩埋异质结激光器的Me s a 制备工艺