【導(dǎo)讀】用于為Ku波段衛(wèi)星移動(dòng)通信有源相控陣天線被用于接收和發(fā)射MMIC多功能芯片使用開發(fā)0.25 微米的p HEMT的商業(yè)方法。多功能芯片由4通道分合路組成，每個(gè)通道提供多種功能，例如6位數(shù)字相移功能，5位數(shù)字衰減功能和信號(hào)放大功能。將MMIC多功能芯片組裝在尺寸為7 mm×7 mm的商用QFN封裝中后，對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，該芯片的尺寸為27 mm^2（5.2 mm×5.2 mm）。
測(cè)量結(jié)果表明，多功能接收芯片在10.7至12.75 GHz頻率下的增益為28 dB，噪聲系數(shù)為1.6 dB。在相位控制中，在衰減控制中顯示了3°的RMS相位誤差和0.3 dB的RMS衰減誤差。對(duì)于多功能發(fā)射芯片，在1.27 W直流功耗下，在13.75至14.5GHz處的增益為15 dB，輸出功率為16.4 dBm。在相位控制中，在衰減控制中顯示了2.5°的RMS相位誤差和0.2 dB的RMS衰減誤差。
MMIC收發(fā)多功能芯片設(shè)計(jì)
用于衛(wèi)星終端的Ku波段多功能芯片包括：接收10.7-12.75 GHz頻帶中的多功能芯片，以及發(fā)射13.75-14.5 GHz頻帶中的多功能芯片。設(shè)計(jì)的接收芯片和發(fā)射芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。
接收芯片具有4通道RF路徑，并包含4：1合路器，可將這四個(gè)輸出組合為一個(gè)輸出。在每個(gè)通道中，第一級(jí)均放置一個(gè)低噪聲放大器以改善噪聲系數(shù)并放大信號(hào)，并放置一個(gè)用于相位控制的6位移相器和一個(gè)用于增益電平控制的5位衰減器。在移相器和衰減器之間設(shè)置有用于信號(hào)放大的放大器。數(shù)字串行到并行轉(zhuǎn)換器（SPC）負(fù)責(zé)將控制信號(hào)提供給移相器和衰減器。由-2.3 V偏置電壓驅(qū)動(dòng)的SPC接收時(shí)鐘，數(shù)據(jù)和負(fù)載信號(hào)（它們是TTL控制信號(hào)），并控制移相器和衰減器，并以+5V偏置電壓生成這三個(gè)信號(hào)的TTL輸出。RF偏置是+2V單電源。在該設(shè)計(jì)中，偏置被確定為+1.8V，并且在考慮信號(hào)增益，噪聲系數(shù)和功耗的情況下組織了測(cè)量數(shù)據(jù)。
發(fā)射芯片具有與接收芯片相似的結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)4通道RF路徑和一個(gè)4：1的分路器，并且像接收芯片一樣具有移相器，衰減器和SPC。與接收芯片不同，具有出色輸出功率特性的功率放大器放置在發(fā)射芯片的末端。RF偏置是+4V單電源。在此設(shè)計(jì)中，考慮到信號(hào)增益，輸出功率和功耗，偏置被確定為+3.5V。
數(shù)字串并轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)
下顯示了一個(gè)44位SPC的配置圖。它用于控制串行輸入的44位數(shù)據(jù)中4個(gè)通道中每個(gè)通道上的6位移相器和5位衰減器。
進(jìn)入輸入端的串行數(shù)據(jù)（DI）通過(guò)時(shí)鐘（CI）信號(hào)從第一個(gè)D觸發(fā)器（DFF）移至下一個(gè)相鄰的DFF。當(dāng)將根據(jù)CI信號(hào)一一移位的所有44個(gè)串行數(shù)據(jù)放置在每個(gè)DFF中時(shí)，這44個(gè)數(shù)據(jù)由負(fù)載（LI）以及移相器和衰減器。TTL型時(shí)鐘輸出（CO），數(shù)據(jù)輸出（DO）和負(fù)載輸出（LO）作為SPC輸出。當(dāng)將它們作為相鄰多功能芯片的輸入連接時(shí)，可以通過(guò)一個(gè)串行控制信號(hào)來(lái)級(jí)聯(lián)控制多個(gè)多功能芯片。偏置電壓為-2.3V以驅(qū)動(dòng)SPC，而+5V用于TTL輸出。
放大器設(shè)計(jì)
多功能接收芯片（LNA）需要出色的噪聲系數(shù)和高增益特性，才能改善接收天線的G/T特性。為此，在接收多功能芯片的第一階段放置了一個(gè)低噪聲放大器。下圖顯示了低噪聲放大器的電路圖。所設(shè)計(jì)的低噪聲放大器是使用3級(jí)放大結(jié)構(gòu)4f75 HEMT（4-手指，75微米柵寬HEMT），一個(gè)E（增強(qiáng)型）模式設(shè)備具有優(yōu)良的噪聲特性。通過(guò)使用串行反饋的噪聲匹配來(lái)設(shè)計(jì)第一級(jí)的輸入匹配。
串聯(lián)反饋通過(guò)在源極端子和地之間添加一個(gè)電感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。電感器實(shí)現(xiàn)為微帶線，并調(diào)整該值以找到放大器的最佳穩(wěn)定性和噪聲特性。應(yīng)用于每級(jí)的級(jí)間匹配不是增益匹配，即匹配50歐姆阻抗，而是直接匹配第一HEMT的輸出阻抗與第二HEMT的輸入阻抗。用于末級(jí)匹配的并聯(lián)反饋是漏極和柵極端子之間具有電感，電容器和電阻器的連接，并且調(diào)整值以找到最佳的回波損耗和增益平坦度特性。
發(fā)射多功能芯片（PA）需要高輸出功率特性，以改善發(fā)射天線的EIRP特性。為此，將功率放大器放置在多功能發(fā)射芯片的輸出端子上。下圖顯示了功率放大器的電路圖。設(shè)計(jì)的功率放大器具有兩級(jí)放大結(jié)構(gòu)，其中E模式4f150 HEMT放置在輸出級(jí)以實(shí)現(xiàn)高輸出功率。使用并聯(lián)反饋將輸出匹配設(shè)計(jì)為增益匹配。
多功能芯片中包含的放大器由單個(gè)偏置驅(qū)動(dòng)，該偏置由E模式HEMT和有源偏置電路實(shí)現(xiàn)。有源偏置電路由一個(gè)FET（Q2），兩個(gè)二極管（D1，D2）和兩個(gè)電阻器（R2，R3）組成，電路圖和器件值如下圖所示。除了單個(gè)電源的優(yōu)點(diǎn)外，這些有源偏置電路還使放大器對(duì)溫度變化和過(guò)程誤差不太敏感。
6位移相器設(shè)計(jì)
使用無(wú)源開關(guān)FET模型設(shè)計(jì)了單個(gè)移相器，例如5.6°，11.2°，22.5°，45°，90°和180°。六個(gè)移相器是使用下圖所示的三個(gè)基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的。
5.6°，11.2°和22.5°移相器產(chǎn)生相對(duì)較小的相移值，并使用開關(guān)濾波器結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)以其芯片面積小和插入損耗小的優(yōu)點(diǎn)而聞名。
45°移相器使用Bridgeed-T結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以通過(guò)在FET處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)使用等效電容器和電感器之間的并聯(lián)諧振來(lái)有效地確定相移值。
使用高通/損耗通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了90°和180°之類的大值移相器。包括兩個(gè)SPDT開關(guān)和濾波器結(jié)構(gòu)，因此可以增加芯片面積并增加插入損耗，但是由于具有降低頻率變化的相位誤差的優(yōu)點(diǎn)，因此具有出色的頻率特性。
5位衰減器設(shè)計(jì)
使用無(wú)源開關(guān)FET模型設(shè)計(jì)了各個(gè)衰減器，例如0.5 dB，1 dB，2 dB，4 dB和8 dB。使用下圖所示的兩個(gè)基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)五個(gè)衰減器。
使用僅由一個(gè)FET和一個(gè)電阻組成的開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了衰減值相對(duì)較小的衰減器，例如0.5 dB和1 dB。
2 dB，4 dB和8 dB衰減器是使用switch-T結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，該結(jié)構(gòu)是在開關(guān)結(jié)構(gòu)中并聯(lián)連接電阻和FET的結(jié)構(gòu)。由于開關(guān)結(jié)構(gòu)和開關(guān)T衰減器由少量元件組成，所以芯片面積小并且插入損耗小。
4：1合路器設(shè)計(jì)
4：1耦合器是通過(guò)連接2：1 Wilkinson耦合器的兩個(gè)級(jí)而設(shè)計(jì)的。下圖所示4∶1耦合器的框圖和2∶1耦合器的電路。2：1耦合器采用集成元件設(shè)計(jì)，以減少芯片占用面積。組合器旨在將頻帶內(nèi)的插入損耗和回波損耗降至最低。
MMIC多功能芯片制造
所設(shè)計(jì)的MMIC接收多功能芯片和發(fā)射多功能芯片分別在尺寸為制造5.2×5.2mm^2使用0.25微米的GaAs的p HEMT過(guò)程商業(yè)方法。下面兩圖是組裝在48針7×7 mm 2 QFN封裝中的接收和發(fā)射芯片的顯微照片。
4通道RF輸入/輸出，RF in（1）至RF in（4）和RF out（1）至RF out（4），位于接收芯片的左側(cè)和發(fā)射芯片的右側(cè)芯片。4通道組合的RF輸出/輸入位于相對(duì)側(cè)。SPC偏置和控制輸入/輸出與RF輸出/輸入位于同一側(cè)。所有焊盤在左側(cè)/右側(cè)僅沿一個(gè)方向排列，因此整個(gè)垂直方向都可以用作接地平面。這可以使散熱的路徑變寬，從而可以促進(jìn)平板天線的散熱設(shè)計(jì)。當(dāng)平面天線設(shè)計(jì)為線性極化時(shí)，垂直方向上布置的50歐姆短路（Term（1）至Term（4））可用于將未使用的極化端口短路50 ohm。50歐姆短路僅是通過(guò)一個(gè)50歐姆的電阻器實(shí)現(xiàn)的，該電阻器的水平和垂直尺寸為20 um，并具有一個(gè)反向通孔。放大器偏置在芯片中包括有源偏置電路，因此可以使用單個(gè)電源，并且可以通過(guò)側(cè)面上的單個(gè)焊盤（RF偏置）來(lái)提供偏置。SPC輸入包括三個(gè)TTL輸入（數(shù)據(jù)，時(shí)鐘，負(fù)載）和-2.3 V偏置。SPC輸出包括三個(gè)TTL輸出（數(shù)據(jù)，時(shí)鐘，負(fù)載）和一個(gè)+ 5V偏置。如果TTL輸出連接到相鄰芯片的SPC輸入。
下圖是用于測(cè)試接收多功能芯片的測(cè)試夾具和48引腳QFN封裝的照片。發(fā)射多功能芯片的測(cè)試夾具具有相同的形狀，僅輸入和輸出變更。測(cè)試夾具的RF輸入/輸出使用連接器完成，而8針連接器用于控制信號(hào)和DC偏置電源。出于相同的目的，放大器偏置線使用了諸如100 pF，10 nF和1 uF的電容器來(lái)旁路不需要的AC信號(hào)，而SPC偏置線則使用了10nF電容器。當(dāng)對(duì)SPC偏置施加-2.3 V時(shí)，測(cè)得的電流為66 mA，對(duì)于TTL輸出，在+5 V電壓下測(cè)得的電流為2 mA或更小。RF放大器偏置的增益，噪聲系數(shù)，輸出功率和電流消耗特性會(huì)隨所施加的電壓而變化。對(duì)于接收芯片，可以通過(guò)考慮所需的增益水平和噪聲系數(shù)來(lái)確定最佳偏置。該接收芯片的最佳偏置為+1.8 V，測(cè)得的電流為330 mA。此時(shí)，包括SPC功率在內(nèi)的接收芯片功耗被計(jì)算為0.74W。對(duì)于傳輸芯片，可以考慮所需的輸出功率和增益水平來(lái)確定最佳偏置。該傳輸芯片的最佳偏置為+3.5 V，測(cè)量的電流為322 mA。
測(cè)試圖如下所示
結(jié)論
利用GaAs工藝開發(fā)了一種可用于Ku波段衛(wèi)星移動(dòng)通信的有源相控陣天線的收發(fā)MMIC 4通道多功能芯片。為了降低平板天線的組裝成本，設(shè)計(jì)了一種芯片以應(yīng)用于商用QFN封裝。在一個(gè)48針7×7 mm^2QFN封裝中集成了一個(gè)包含6位移相器和5位衰減器的4通道多功能芯片，并驗(yàn)證了輸出的傳輸多功能芯片。通過(guò)調(diào)整偏置，可以測(cè)量高達(dá)19 dBm的發(fā)射芯片的最大發(fā)射功率。預(yù)計(jì)開發(fā)的MMIC接收和發(fā)射多功能芯片將適用于以扁平有源相控陣天線的衛(wèi)星通信終端。
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