0 引言

    壓控衰減器是一種通過控制直流偏置調整輸入、輸出端口之間信號幅度的雙端口網絡，廣泛應用于射頻、微波系統中。其用途包括：LNA(Low Noise Amplifier)或PA(Power Amplifier)之后的增益控制、幅度調制器、振蕩器中的幅度穩定電路、自動增益控制系統等^[1-5]。

    隨著電路工作頻率的提高，GaAs pHEMT管芯的寄生效應嚴重影響了壓控衰減器的電路工作性能。目前，已有多種方法對其進行改進。文獻[2]采用三柵MESFETs減小寄生，提高功率容量。文獻[3]在π型衰減結構的技術上，采用帶通濾波器技術以消除FET的寄生影響。文獻[4]采用π型衰減結構和T型衰減結構級聯的拓撲形式，擴大衰減范圍，并聯支路采用堆疊結構，提高線性度。文獻[5]采用分布式結構以拓展帶寬，采用堆疊結構以提高線性度。

    本文設計了一款工作在Ku波段的雙相壓控衰減器。通過采用平衡式衰減器結構，供電電壓采用互補形式，實現電路衰減值的雙相調節。衰減部分采用T型衰減器和π型衰減器級聯拓撲，擴大衰減范圍。并聯支路采用堆疊結構，提高電路的線性度。

1 壓控衰減器基本原理

1.1 GaAs pHEMT等效模型

    GaAs pHEMT管芯是單片集成電路設計的基礎和核心，理解和掌握管芯的電特性機理和模型特點，對單片集成電路設計十分重要。在壓控衰減器中，pHEMT管芯作為受柵壓控制的可變電阻，實現電路的可變衰減。

    當V_DS<<2(V_GS-V_th)時，pHEMT管工作在深三極管區，等效電路是R₀和C₀并聯，如圖1所示。R₀和C₀的值取決于管芯子尺寸，且隨柵壓的變化而變化^[5]。在深三極管區，漏極電流I_D是V_DS的線性函數，源漏之間的溝道可以用一個線性電阻R₀表示，其阻值如式(1)^[6]：

1.2 壓控衰減器電路拓撲

    基本的衰減器拓撲有5種，即T型、π型、橋T型、反射式、平衡式。其工作原理是通過控制pHEMT管柵壓來控制整個電路的等效電阻，從而改變衰減量。

    T型衰減器結構簡單，面積小，但兩端的輸入、輸出回波損耗大；π型衰減器結構衰減范圍大，端口匹配好；橋T型衰減器是T型結構的一種衍生結構，易匹配^[7]；反射式衰減器結構輸入、輸出回波損耗小，但受管芯寄生參數的影響，衰減范圍有限，且性能不好；平衡式衰減器結構采用互補電壓控制，可以消除最大衰減處的紋波，擴大衰減范圍^[8]。

2 電路設計

    本文設計的雙相壓控衰減器采用平衡結構。其中，3 dB正交耦合器采用Lange耦合器實現，衰減部分采用T型衰減器和π型衰減器級聯拓撲。

    T型π型級聯衰減結構如圖3所示。控制電壓V_G1和V_G2的電壓變化范圍為-1.5 V~+1.5 V。引入R1、R2、R3、R4、R5、R6可以減小最大衰減對控制電壓的敏感度^[10]。并聯支路使用雙柵pHEMT管，等效為兩個尺寸相同的單柵pHEMT管串聯，但電路更為緊湊、寄生小^[11]。并聯支路使用兩個雙柵pHEMT管串聯，可以提升整個電路的功率容量^[5]。

3 版圖設計與電磁仿真結果

3.1 版圖設計

    在電路版圖設計過程中，為了減小芯片面積，降低成本，在滿足電路性能和設計規則的前提下，對Lange耦合器進行彎折，使整體電路布局合理。圖4為雙相壓控衰減器版圖。芯片尺寸為1.8 mm×1.2 mm。

3.2 電磁仿真結果

    本設計采用0.25 μm GaAs pHEMT工藝，版圖電磁(Electromagnetic simulation EM)仿真基于ADS2013仿真軟件平臺的Momentum仿真工具進行仿真。

    圖5給出了各個控制電壓下電路插入損耗隨頻率的變化曲線。從圖5中可以看出，最小插損為-12.5 dB，整個工作頻帶內衰減平坦度為±0.1 dB；最大衰減為-31.5 dB，整個工作頻帶內衰減平坦度為±0.9 dB；衰減范圍達到20 dB以上。

    圖6給出了電路在13 GHz處傳輸系數S₂₁的幅度和相位隨控制電壓的變化曲線。從圖6中可以看出，當-1.5<V_G1<0時，S₂₁>0；當0<V_G1<1.5時，S₂₁<0，可以實現雙相衰減。

    圖7仿真條件是在13 GHz處，插入損耗為-12 dB時的仿真結果，P_out曲線為射頻輸出端口的輸出功率曲線，Line線為輔助線。隨著輸入功率的增大，輸出功率增大，當輸入功率為30.5 dBm時，插損增大1 dB，則本設計的1 dB壓縮點最大為30.5 dBm。

4 結論

    本文應用0.25 μm GaAs pHEMT工藝設計了一款13～16 GHz頻帶的雙相壓控衰減器。由版圖仿真結果可知，輸入、輸出回波損耗小,插入損耗為-12.5 dB,衰減范圍達到20 dB以上，輸入1 dB壓縮點大于30 dBm，功率容量大，線性度好。本文設計可為國產化雙相壓控衰減器芯片設計提供參考。

參考文獻

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作者信息:

原怡菲，張  博

（西安郵電大學 電子工程學院，陜西 西安