數控單片移相器的CAD

1 引言

數字移相器是收/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(kāi)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(wú)源元件）都是"平面"結構，它們雖然與傳統微波電路元件采用的名稱(chēng)相同，但特性不同，需用復雜的模型來(lái)描述。（2）由于gaas基片的微波傳輸特性與傳統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(gè)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(jìn)行電磁場(chǎng)驗證。除此之外，mmic使用半導體集成技術(shù)制成，其特性唯一地由設計與制造決定，無(wú)法像傳統的微波電路那樣調試。

由此可見(jiàn)，單片移相器的設計技術(shù)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(shí)利用計算機cad技術(shù)保證設計的準確性[1]，本文將介紹數控單片移相器的cad設計過(guò)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撲

移相器的共性在于結構上都是晶體管作為開(kāi)關(guān)再輔以各種無(wú)源元件，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)使信號在通過(guò)無(wú)源元件時(shí)產(chǎn)生不同的相移，從而實(shí)現移相功能，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撲。

2.1 開(kāi)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(wú)源狀態(tài)，沒(méi)有直流功耗，作為開(kāi)關(guān)器件工作，開(kāi)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通和關(guān)斷（圖1）。開(kāi)關(guān)導通時(shí)，rds很小，cds較大；開(kāi)關(guān)截止時(shí)，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(xiàn)后，應使用該制造商提供的器件模型進(jìn)行電路設計，其可以根據需求自建模型或對模型進(jìn)行處理和完善。

2.2 無(wú)源元件模型

無(wú)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(xiàn)。通常當設計電路的工作頻段非常寬時(shí)，才采用傳輸線(xiàn)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字移相器電路有開(kāi)關(guān)線(xiàn)式、反射式、加載線(xiàn)式和高低通濾波器式。設計者根據電性能要求、工藝制造難度及性?xún)r(jià)比為不同的移相位取合適的電路拓撲。開(kāi)關(guān)線(xiàn)式、反射式、加載線(xiàn)式移相器中均需使用分布參數傳輸線(xiàn)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(shí)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(hù)界面，能實(shí)現電路仿真、優(yōu)化、綜合、版圖設計、電磁場(chǎng)分析等功能[2]，此外還能在基于工藝線(xiàn)的設計環(huán)境進(jìn)行電路設計。

3.2 電路設計

根據電性能指標，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(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(shí)，優(yōu)化成效極低，甚至完全得不到結果，多位數字移相器的優(yōu)化途徑為：先優(yōu)化單個(gè)位，再根據單個(gè)位的優(yōu)化結果進(jìn)行多位級聯(lián)優(yōu)化。

首先對各單個(gè)位的集總參數電路進(jìn)行優(yōu)化，得到各位最佳拓撲及集中參數值。接著(zhù)通過(guò)綜合將集總參數電容轉為相應的mim電容，將集總參數電感轉為螺旋電感或長(cháng)微帶線(xiàn)，將集總參數電阻轉為體電阻或薄膜電阻，將連接線(xiàn)轉為微帶線(xiàn)。完成物體結構的綜合后，根據電路設計指標對各位移相器做性能優(yōu)化。
電路優(yōu)化時(shí)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(diǎn)由少到多，最后進(jìn)行全頻域為調整：初始值沒(méi)有把握時(shí)，先用隨機優(yōu)化，再換梯度法，適當更換優(yōu)化方法，同時(shí)改變加權值，優(yōu)化次數適當，不能太少，根據效果修改或更換電路拓撲。

設計數字移相器的單個(gè)移相位時(shí)，需要根據整體電路的指標制定不同單個(gè)位的設計指標，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)位設在不同的工作狀態(tài)，從而得到全部移相態(tài)。對五位數字移相器而言，共有32種狀態(tài)，對應輸入輸出有64個(gè)端口，優(yōu)化變量及優(yōu)化目標多達數百個(gè)，為解決這個(gè)難題，我們先將每一個(gè)移相位設計好，級連之后的電路分析結果已基本滿(mǎn)足整體電路的設計指標，因此，做整體電路優(yōu)化時(shí)，只需要對部分變量做微調。

為給工藝制作過(guò)程中的控制精度提供參考，需要對電路參數做靈敏度分析。分析時(shí)根據工藝線(xiàn)上可能達到的控制精度取上下限對整個(gè)電路做s參數仿真分析，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、mim電容的厚度，電容介質(zhì)sin的介電常數及各條微帶線(xiàn)的長(cháng)度和寬度等。

3.3 電磁場(chǎng)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(guò)渡線(xiàn)、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(shí)際性能與原設計優(yōu)化結果會(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)行整體分析驗證[4]。

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

4 數控單片移相器的開(kāi)發(fā)應用

結合前面的討論，我們給出gaas mmic數字移相器的設計和制造的一般過(guò)程：1、結合工藝制造技術(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撲；3、根據選定的電路拓撲，對各個(gè)不同的單個(gè)位利用cad進(jìn)行優(yōu)化設計；4、根據電性能指標確定優(yōu)化目標，根本選定的拓撲確定優(yōu)化變量；5、根據單個(gè)位的優(yōu)化結果進(jìn)行多位級聯(lián)優(yōu)化；6、根據制造工藝、尺寸和使用時(shí)加電要求進(jìn)行電路版圖布局設計及電磁驗證；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

如果一次設計不能滿(mǎn)足要求，則要在上述過(guò)程中找出仿真和實(shí)際測試的不吻合處，再次改版設計，實(shí)際的設計過(guò)程可能是一個(gè)反復循環(huán)的過(guò)程，高性能的cad軟件可以加速上述的循環(huán)過(guò)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波段單片五位數字移相器，并在我所gaas工藝線(xiàn)上制作完成。電路實(shí)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(yǔ)

cad技術(shù)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(diǎn)論述了其cad設計過(guò)程及設計難點(diǎn)，為數控單片移相器的研制提供了實(shí)用的解決方案，應用這一研究成果，高性能的x波段單片五位數字移相器以及其他系列數字移相器已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功。