基于CAD技術實現(xiàn)x波段單片五位數(shù)字移相器的設計

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，在整機系統(tǒng)中被廣泛應用，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，但在設計方法上有很大的不同。這是因為：（1）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”結構，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雜的寄生效應；mmic中各個元件排列又十分緊湊，相互間的耦合寄生也較嚴重，因此，設計中必須仔細分析修正，進行電磁場驗證。除此之外，mmic使用半導體集成技術制成，其特性唯一地由設計與制造決定，無法像傳統(tǒng)的微波電路那樣調試。

由此可見，單片移相器的設計技術具有較大的特殊性與復雜性，對設計優(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），設計必須一次成功，因而，必須在電路模擬時利用計算機cad技術保證設計的準確性，本文將介紹數(shù)控單片移相器的cad設計過程，解決cad技術中的難題。

2 、選取合適的元器件模型及電路拓撲

移相器的共性在于結構上都是晶體管作為開關再輔以各種無源元件，通過控制開關使信號在通過無源元件時產(chǎn)生不同的相移，從而實現(xiàn)移相功能，在進行移相器電路的cad輸入之前，首先要選取合適的元器件模型和電路拓撲。

2.1 開關器件模型

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，作為開關器件工作，開關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通和關斷（圖1）。開關導通時，rds很小，cds較大；開關截止時，rds很大，cds較小，柵電阻rg起隔離信號的作用，應取得足夠大。

設計者選定工藝加工線后，應使用該制造商提供的器件模型進行電路設計，其可以根據(jù)需求自建模型或對模型進行處理和完善。

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。通常當設計電路的工作頻段非常寬時，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，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 移相器電路拓撲

目前普遍采用的單片數(shù)字移相器電路有開關線式、反射式、加載線式和高低通濾波器式。設計者根據(jù)電性能要求、工藝制造難度及性價比為不同的移相位取合適的電路拓撲。開關線式、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，這種電路拓撲適用于寬帶電路，用于窄帶電路設計時某些電性能可望有較大的改善，因此應用最為普遍。

圖2是兩種常用移相器電路拓撲圖。

3、 移相器的cad設計優(yōu)化

3.1 選擇eda工具

eda軟件仿真器是mmic設計者必不可少的工具，在數(shù)控單片移相器的設計中，mmic設計軟件必須敏捷、準確、具有良好的用戶界面，能實現(xiàn)電路仿真、優(yōu)化、綜合、版圖設計、電磁場分析等功能，此外還能在基于工藝線的設計環(huán)境進行電路設計。

3.2 電路設計

根據(jù)電性能指標，每一種移相狀態(tài)需制定的優(yōu)化目標有：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、相移誤差等。比如五位移相器共有32種狀態(tài)，其優(yōu)化目標多達近200項。因此合理地設定優(yōu)化途徑極為重要，否則不僅耗費大量機時，優(yōu)化成效極低，甚至完全得不到結果，多位數(shù)字移相器的優(yōu)化途徑為：先優(yōu)化單個位，再根據(jù)單個位的優(yōu)化結果進行多位級聯(lián)優(yōu)化。

首先對各單個位的集總參數(shù)電路進行優(yōu)化，得到各位最佳拓撲及集中參數(shù)值。接著通過綜合將集總參數(shù)電容轉為相應的mim電容，將集總參數(shù)電感轉為螺旋電感或長微帶線，將集總參數(shù)電阻轉為體電阻或薄膜電阻，將連接線轉為微帶線。完成物體結構的綜合后，根據(jù)電路設計指標對各位移相器做性能優(yōu)化。

電路優(yōu)化時應注意：初始優(yōu)化的變量不宜太多，變量初值及上下限要合理；頻率點由少到多，最后進行全頻域為調整：初始值沒有把握時，先用隨機優(yōu)化，再換梯度法，適當更換優(yōu)化方法，同時改變加權值，優(yōu)化次數(shù)適當，不能太少，根據(jù)效果修改或更換電路拓撲。

設計數(shù)字移相器的單個移相位時，需要根據(jù)整體電路的指標制定不同單個位的設計指標，每一個移相位均先分別優(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。

將各單個位級聯(lián)，按真值表各單個位設在不同的工作狀態(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)，對應輸入輸出有64個端口，優(yōu)化變量及優(yōu)化目標多達數(shù)百個，為解決這個難題，我們先將每一個移相位設計好，級連之后的電路分析結果已基本滿足整體電路的設計指標，因此，做整體電路優(yōu)化時，只需要對部分變量做微調。

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。分析時根據(jù)工藝線上可能達到的控制精度取上下限對整個電路做s參數(shù)仿真分析，比較電路指標的差異，分析的項目包括基片厚度、基片介電常數(shù)、mim電容的厚度，電容介質sin的介電常數(shù)及各條微帶線的長度和寬度等。

3.3 電磁場驗證

電路物理結構設計完成后，按照物理結構利用eda工具對電路版圖布局。添加必要的過渡線、拐彎和t型結等，將版圖控制在合理的范圍內，盡量擴大各元件距離，減小相互耦合，對于較高應用頻段的單片移相器，版圖布局引起的寄生效應使電路實際性能與原設計優(yōu)化結果會有較大偏離，因此必須進行版圖布局優(yōu)化，通常借助全波em分析軟件對條件后的版圖布局進行整體分析驗證。

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

4 、數(shù)控單片移相器的開發(fā)應用

結合前面的討論，我們給出gaas mmic數(shù)字移相器的設計和制造的一般過程：1、結合工藝制造技術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不同的單個位選取最佳的電路拓撲；3、根據(jù)選定的電路拓撲，對各個不同的單個位利用cad進行優(yōu)化設計；4、根據(jù)電性能指標確定優(yōu)化目標，根本選定的拓撲確定優(yōu)化變量；5、根據(jù)單個位的優(yōu)化結果進行多位級聯(lián)優(yōu)化；6、根據(jù)制造工藝、尺寸和使用時加電要求進行電路版圖布局設計及電磁驗證；7、制版、進行工藝流程；8、對合格的芯片進行微波電性能測試

如果一次設計不能滿足要求，則要在上述過程中找出仿真和實際測試的不吻合處，再次改版設計，實際的設計過程可能是一個反復循環(huán)的過程，高性能的cad軟件可以加速上述的循環(huán)過程，使設計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微波設計軟件設計了一款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。電路實測電性能與原設計優(yōu)化結果基本一致，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、 結語

cad技術可以縮短移相器的研制周期，提高設計精度，降低成本，本文針對多位單片移相器的特點論述了其cad設計過程及設計難點，為數(shù)控單片移相器的研制提供了實用的解決方案，應用這一研究成果，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。

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