數(shù)控單片移相器的CAD

1 引言

數(shù)字移相器是收/發(fā)（t/r）組件中用于控制電波束的核心元件，在整機(jī)系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，為減小t/r模塊的尺寸和重量，降低成本與功耗，提高開關(guān)速度，主要采用的是微波單片集成電路（mmic）工藝制造移相器。

單片移相器是制作在gaas基片上的微波電路，其工作原理和電路功能與傳統(tǒng)的微波電路移相器相同，但在設(shè)計(jì)方法上有很大的不同。這是因?yàn)椋海?）制作在gaas基片上的所有元件（包括有源器件及無源元件）都是"平面"結(jié)構(gòu)，它們雖然與傳統(tǒng)微波電路元件采用的名稱相同，但特性不同，需用復(fù)雜的模型來描述。（2）由于gaas基片的微波傳輸特性與傳統(tǒng)的微波基片有很大不同，造成以gaas為基片制作的微波電路存在復(fù)雜的寄生效應(yīng)；mmic中各個(gè)元件排列又十分緊湊，相互間的耦合寄生也較嚴(yán)重，因此，設(shè)計(jì)中必須仔細(xì)分析修正，進(jìn)行電磁場驗(yàn)證。除此之外，mmic使用半導(dǎo)體集成技術(shù)制成，其特性唯一地由設(shè)計(jì)與制造決定，無法像傳統(tǒng)的微波電路那樣調(diào)試。

由此可見，單片移相器的設(shè)計(jì)技術(shù)具有較大的特殊性與復(fù)雜性，對設(shè)計(jì)優(yōu)化的要求很高，尤其是考慮到gaas mmic高昂的制造成本（制版、工藝、測試等），設(shè)計(jì)必須一次成功，因而，必須在電路模擬時(shí)利用計(jì)算機(jī)cad技術(shù)保證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性[1]，本文將介紹數(shù)控單片移相器的cad設(shè)計(jì)過程，解決cad技術(shù)中的難題。

2 選取合適的元器件模型及電路拓?fù)?

移相器的共性在于結(jié)構(gòu)上都是晶體管作為開關(guān)再輔以各種無源元件，通過控制開關(guān)使信號(hào)在通過無源元件時(shí)產(chǎn)生不同的相移，從而實(shí)現(xiàn)移相功能，在進(jìn)行移相器電路的cad輸入之前，首先要選取合適的元器件模型和電路拓?fù)洹?br>
2.1 開關(guān)器件模型

gaas mesfet，phemt都是單片移相器的理想器件，通常工作于無源狀態(tài)，沒有直流功耗，作為開關(guān)器件工作，開關(guān)器件的源極和漏極作為射頻端，柵極作為控制端，由柵極和源極的相對電位決定其導(dǎo)通和關(guān)斷（圖1）。開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，rds很小，cds較大；開關(guān)截止時(shí)，rds很大，cds較小，柵電阻rg起隔離信號(hào)的作用，應(yīng)取得足夠大。

設(shè)計(jì)者選定工藝加工線后，應(yīng)使用該制造商提供的器件模型進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，其可以根據(jù)需求自建模型或?qū)δＰ瓦M(jìn)行處理和完善。

2.2 無源元件模型

無源元件大體上分為集總元件和分布元件，集總元件主要指電阻、電容、電感；分布元件主要指傳輸線。通常當(dāng)設(shè)計(jì)電路的工作頻段非常寬時(shí)，才采用傳輸線作為匹配元件，集總元件在單片移相器電路中普遍使用的有體電阻、薄膜電阻、mim電容、螺旋電感。體電阻主要用于柵極偏置，隔離高頻信號(hào)，薄膜電阻主要用于電路匹配，mim電容和螺旋電感主要用于匹配、濾波。

2.3 移相器電路拓?fù)?

目前普遍采用的單片數(shù)字移相器電路有開關(guān)線式、反射式、加載線式和高低通濾波器式。設(shè)計(jì)者根據(jù)電性能要求、工藝制造難度及性價(jià)比為不同的移相位取合適的電路拓?fù)?。開關(guān)線式、反射式、加載線式移相器中均需使用分布參數(shù)傳輸線段，占用相當(dāng)大的芯片面積，而高低通濾波器式移相器用集總元件組成，可做得十分緊湊，這種電路拓?fù)溥m用于寬帶電路，用于窄帶電路設(shè)計(jì)時(shí)某些電性能可望有較大的改善，因此應(yīng)用最為普遍。

圖2是兩種常用移相器電路拓?fù)鋱D。

3 移相器的cad設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 選擇eda工具

eda軟件仿真器是mmic設(shè)計(jì)者必不可少的工具，在數(shù)控單片移相器的設(shè)計(jì)中，mmic設(shè)計(jì)軟件必須敏捷、準(zhǔn)確、具有良好的用戶界面，能實(shí)現(xiàn)電路仿真、優(yōu)化、綜合、版圖設(shè)計(jì)、電磁場分析等功能[2]，此外還能在基于工藝線的設(shè)計(jì)環(huán)境進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。

3.2 電路設(shè)計(jì)

根據(jù)電性能指標(biāo)，每一種移相狀態(tài)需制定的優(yōu)化目標(biāo)有：參考態(tài)駐波、移相態(tài)駐波、相移、參考態(tài)插損、移相態(tài)插損、插損波動(dòng)、相移誤差等。比如五位移相器共有32種狀態(tài)，其優(yōu)化目標(biāo)多達(dá)近200項(xiàng)。因此合理地設(shè)定優(yōu)化途徑極為重要，否則不僅耗費(fèi)大量機(jī)時(shí)，優(yōu)化成效極低，甚至完全得不到結(jié)果，多位數(shù)字移相器的優(yōu)化途徑為：先優(yōu)化單個(gè)位，再根據(jù)單個(gè)位的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行多位級聯(lián)優(yōu)化。

首先對各單個(gè)位的集總參數(shù)電路進(jìn)行優(yōu)化，得到各位最佳拓?fù)浼凹袇?shù)值。接著通過綜合將集總參數(shù)電容轉(zhuǎn)為相應(yīng)的mim電容，將集總參數(shù)電感轉(zhuǎn)為螺旋電感或長微帶線，將集總參數(shù)電阻轉(zhuǎn)為體電阻或薄膜電阻，將連接線轉(zhuǎn)為微帶線。完成物體結(jié)構(gòu)的綜合后，根據(jù)電路設(shè)計(jì)指標(biāo)對各位移相器做性能優(yōu)化。
電路優(yōu)化時(shí)應(yīng)注意：初始優(yōu)化的變量不宜太多，變量初值及上下限要合理；頻率點(diǎn)由少到多，最后進(jìn)行全頻域?yàn)檎{(diào)整：初始值沒有把握時(shí)，先用隨機(jī)優(yōu)化，再換梯度法，適當(dāng)更換優(yōu)化方法，同時(shí)改變加權(quán)值，優(yōu)化次數(shù)適當(dāng)，不能太少，根據(jù)效果修改或更換電路拓?fù)洹?

設(shè)計(jì)數(shù)字移相器的單個(gè)移相位時(shí)，需要根據(jù)整體電路的指標(biāo)制定不同單個(gè)位的設(shè)計(jì)指標(biāo)，每一個(gè)移相位均先分別優(yōu)化到駐波最小，使在隨后完整的移相器優(yōu)化中各位之間的相互影響盡可能小[3]。

將各單個(gè)位級聯(lián)，按真值表各單個(gè)位設(shè)在不同的工作狀態(tài)，從而得到全部移相態(tài)。對五位數(shù)字移相器而言，共有32種狀態(tài)，對應(yīng)輸入輸出有64個(gè)端口，優(yōu)化變量及優(yōu)化目標(biāo)多達(dá)數(shù)百個(gè)，為解決這個(gè)難題，我們先將每一個(gè)移相位設(shè)計(jì)好，級連之后的電路分析結(jié)果已基本滿足整體電路的設(shè)計(jì)指標(biāo)，因此，做整體電路優(yōu)化時(shí)，只需要對部分變量做微調(diào)。

為給工藝制作過程中的控制精度提供參考，需要對電路參數(shù)做靈敏度分析。分析時(shí)根據(jù)工藝線上可能達(dá)到的控制精度取上下限對整個(gè)電路做s參數(shù)仿真分析，比較電路指標(biāo)的差異，分析的項(xiàng)目包括基片厚度、基片介電常數(shù)、mim電容的厚度，電容介質(zhì)sin的介電常數(shù)及各條微帶線的長度和寬度等。

3.3 電磁場驗(yàn)證

電路物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，按照物理結(jié)構(gòu)利用eda工具對電路版圖布局。添加必要的過渡線、拐彎和t型結(jié)等，將版圖控制在合理的范圍內(nèi)，盡量擴(kuò)大各元件距離，減小相互耦合，對于較高應(yīng)用頻段的單片移相器，版圖布局引起的寄生效應(yīng)使電路實(shí)際性能與原設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果會(huì)有較大偏離，因此必須進(jìn)行版圖布局優(yōu)化，通常借助全波em分析軟件對條件后的版圖布局進(jìn)行整體分析驗(yàn)證[4]。

由于移相器電路器件數(shù)目較多，做全版圖電磁仿真時(shí)端口數(shù)過多，仿真起來十分困難，當(dāng)版圖中不同移相位的元件間距較遠(yuǎn)時(shí)，各移相位間的耦合影響不大，只需要對每個(gè)移相位單獨(dú)做電磁仿真。做電磁仿真時(shí)應(yīng)按照加工工藝設(shè)置襯底，定義不同的層。

4 數(shù)控單片移相器的開發(fā)應(yīng)用

結(jié)合前面的討論，我們給出gaas mmic數(shù)字移相器的設(shè)計(jì)和制造的一般過程：1、結(jié)合工藝制造技術(shù)及電路性能最佳要求選取或建立元器件模型，2、根據(jù)電性能要求及工藝制造難度對各個(gè)不同的單個(gè)位選取最佳的電路拓?fù)洌?、根據(jù)選定的電路拓?fù)?，對各個(gè)不同的單個(gè)位利用cad進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；4、根據(jù)電性能指標(biāo)確定優(yōu)化目標(biāo)，根本選定的拓?fù)浯_定優(yōu)化變量；5、根據(jù)單個(gè)位的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行多位級聯(lián)優(yōu)化；6、根據(jù)制造工藝、尺寸和使用時(shí)加電要求進(jìn)行電路版圖布局設(shè)計(jì)及電磁驗(yàn)證；7、制版、進(jìn)行工藝流程；8、對合格的芯片進(jìn)行微波電性能測試

如果一次設(shè)計(jì)不能滿足要求，則要在上述過程中找出仿真和實(shí)際測試的不吻合處，再次改版設(shè)計(jì)，實(shí)際的設(shè)計(jì)過程可能是一個(gè)反復(fù)循環(huán)的過程，高性能的cad軟件可以加速上述的循環(huán)過程，使設(shè)計(jì)的移相器具有有意的電性能，較高的成品率及盡可能小的芯片面積。

我們使用agilent ads微波設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)了一款x波段單片五位數(shù)字移相器，并在我所gaas工藝線上制作完成。電路實(shí)測電性能與原設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果基本一致，相移均方根誤差小于1.5°，駐波小于1.7，插入損耗小于8db。

5 結(jié)語

cad技術(shù)可以縮短移相器的研制周期，提高設(shè)計(jì)精度，降低成本，本文針對多位單片移相器的特點(diǎn)論述了其cad設(shè)計(jì)過程及設(shè)計(jì)難點(diǎn)，為數(shù)控單片移相器的研制提供了實(shí)用的解決方案，應(yīng)用這一研究成果，高性能的x波段單片五位數(shù)字移相器以及其他系列數(shù)字移相器已經(jīng)開發(fā)成功。