一种集成电长度补偿功能的C频段五通道接收组件*

贾玉伟，张浩然，曾　志，朴贞真

(中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄 050051)



一种集成电长度补偿功能的C频段五通道接收组件*

贾玉伟**，张浩然，曾志，朴贞真

(中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄 050051)

摘要：介绍了一种C频段五通道接收组件的设计方法。阐述了接收组件的工作原理，给出了功能实现框图，分析了电长度补偿单元、通道选择单元、幅相控制单元、信号合成单元共4 个部分的设计方案。采用盘旋同轴线方案实现了电长度补偿，补偿最大值达635°。接收组件集成了限幅、通道选择、5位移相、5位衰减、电长度补偿、信号合成、电压转换等功能。接收组件的测试结果为噪声系数3.5 dB，增益 25 dB，输入输出驻波比小于1.5∶1，总功耗780 mW。

关键词：C频段；微波接收组件；电长度补偿；五通道；低功耗；三合一合成器

1引言

随着集成电子技术、新材料技术和封装互连技术的快速发展，电子装备正在向小型化、轻量化、高可靠和多功能方向发展。

目前采用微波混合集成电路(Hybrid Microwave Integrated Circuit,HMIC)实现微波接收组件的技术已趋于成熟。随着微波单片集成电路技术(Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC)的发展，微波接收组件的尺寸进一步减小，性能和集成度得到了进一步的提高[1]。如接收组件设计方案中通道数非2n(n为非负整数)，并且采用了功率分配/合成器，将会出现各通道电长度不平衡的现象，严重降低功率合成器的工作效率。这种情况下，有必要对各通道进行电长度补偿。

文献[1]介绍了一种基于低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)技术的Ka频段下变频接收组件的研制技术,文献[2]采用多芯片组装(Multi-chip Module，MCM)技术研制了一种Ku频段四通道接收组件。目前，国内外关于微波接收组件的研究热点集中于小型化、高集成、毫米波，而对于组件输入端口数和通道数均为奇数，内部进行通道选择和电长度补偿的组件设计鲜有相关报道。

本文介绍了一种集成电长度补偿功能的五通道接收组件的设计与实现过程，并给出了实物照片和测试曲线。

2工作原理

五通道接收组件包括电长度补偿单元、通道选择单元、幅相控制单元、信号合成单元、电源管理和信号控制单元。通道选择单元实现5个输入端口与3个幅相控制通道的开关切换，即“五选三”功能，同时集成限幅功能，为后级开关和低噪放芯片等提供保护。幅相控制单元集成5位移相、5位衰减功能，提供11.25°步进移相控制和0.5 dB步进、最大15.5 dB衰减控制，同时集成两级低噪声放大器，对通道进行增益补偿。信号合成单元采用威尔金森结构设计三合一合成器电路，完成信号的合成输出。电长度补偿单元以电长度最长的通道为基准，通过在其他通道增加带线或线缆长度的方式，为其他通道提供电长度补偿。电源管理和信号控制单元将上级系统提供的电压转换成器件工作所需的电压，为开关电路、低噪放电路、移相衰减电路提供相应的驱动。

该接收组件存在3种工作模式，分别可接收RFin1、RFin2、RFin3，RFin2、RFin3、RFin4，RFin3、RFin4、RFin5。3种工作模式下，信号均由RFout端口输出。

五通道接收组件电原理如图1 所示。

图1　五通道接收组件电原理图

3各单元电路的设计过程

3.1通道选择单元的设计

根据图1，RFin3到RFout通道为直接级联方式，RFin1和RFin4、RFin2和RFin5需要通过单刀双掷开关(Single Pole Double Throw,SPDT)进行选择，同时为保护后级电路，在组件每个通道的输入端均集成了限幅功能。

图2为限幅电路拓扑结构[3]。

图2　限幅电路拓扑结构

限幅电路采用GaAs PIN 二极管结构，由两级并联的二极管对组成，当微波输入信号较小时，PIN管处于高阻状态，限幅电路对微波信号表现为通路。微波信号逐渐加强，二极管导通后，限幅电路对微波信号起到限幅作用。

开关电路采用常见的串并联结构。本文中采用匹配式开关，又叫吸收式开关，该类型开关的特点是在输出端管子上并联一个50 Ω负载，在处于关断状态时，输出端处于匹配状态，结构如图3[4]所示。

图3　开关电路拓扑图

3.2幅相控制单元的设计

幅相控制单元主要集成了移相衰减多功能芯片和两级低功耗低噪声放大芯片。

移相衰减多功能芯片内部集成移相功能电路和衰减功能电路。移相功能电路可看作由电容、电感和GaAs FET共同构成的滤波网络，可实现最小移相步进11.25°、最大移相量348.75°。衰减功能电路的实质为T型网络或π型网络，由GaAs薄膜电阻和GaAs FET共同构成，通过电压变换控制FET器件微波阻抗的变化，从而改变衰减网络的衰减值，可实现最小衰减步进0.5 dB、最大衰减量15.5 dB。同时该芯片片上集成了10位串转并驱动电路和低电平使能端。

放大器是本模块中功耗较高的电路单元，为降低功耗，本文中采用了堆迭式偏置技术。拓扑结构如图4所示。在该电路结构中，第二级FET的漏极电流从其源极流入到第一级FET的漏极，通过去耦电容将所有FET的源极交流接地，使用电感级联前一级FET的源极到后一级FET的漏极实现电流直通。在堆迭式电路结构中，第一级FET的漏压为2.4 V，第二级FET的漏压为4.4 V，整个放大器只需要一个+5 V单电源，电流仅为10 mA，从而实现了低功耗指标要求。

图4　放大器拓扑结构

3.3信号合成单元的设计

在微波电路设计中，工程师常常需要按一定的比例将微波信号分成两路或多路，实现这样功能的器件称为功率分配器，简称为功分器。将功分器反过来使用可以将两路或多路微波信号合为一路，称之为功率合成器，也可简称为功合器。

信号合成单元的功能即将输入的三路信号合为一路。在微波频段，Wilkinson功分器被广泛采用，Wilkinson结构克服了T型结构不能在全部端口匹配，在输出端口之间没有任何隔离的缺点[5]。

偶等分的功分器结构简单，应用广泛。对于奇等分功分器，通常采用以下3种设计方法：直接一分三的等功率分配器、加负载匹配的一分三路功分器和由两个一分二功分器级联的一分三功分器[6]。本文采用直接一分三的等功率分配器设计方法。为提高分路间隔离度，采用两级级联的结构。按信号合成的概念，拓扑结构如图5所示[5]。

图5　信号合成电路拓扑结构

选用最平坦变换器，特征阻抗Z1和Z2为Z1=114 Ω，Z2=65 Ω。平面隔离电阻R1和R2为R1=65 Ω，R2=200 Ω[5]。

3.4电长度补偿单元的设计

从图1的电路结构中可看出，5个输入通道有长有短，存在天然的电长度不平衡，同时考虑到电路布版造成的电长度不平衡，将会导致各通道进入信号合成电路的信号存在相位不平衡和“色散”现象。“色散”现象是指工作频带内不同的工作频点信号经过电长度不等的传输网络所产生的相位延迟不同,故需要对各通道进行电长度补偿。

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电长度以度数Φ表征可按式(1)计算，以时间TD表征可按式(2)计算:

(1)

(2)

由式(1)和式(2)可得

Φ=-360TDf。

(3)

式(1)～(3)中：L为传输线物理长度;εr为传输线介质相对介电常数;f为工作频率;c为光速。

式(1)表征了电长度与传输线物理长度的关系，式(3)表征了电长度与延时的关系。

由此，我们可以得出电长度补偿的两种方法：一是采用低损耗传输线；另一种方法是采用延时网络，目前有成熟的延时器芯片可用，但延时器芯片会引入大约20 dB的插入损耗[7〗，若为降低功耗将低噪声放大器放在了通道选择单元之后，延时网络所引入的插入损耗将完全转化为组件的噪声，这是无法接受的，故该方法不宜采用。

采用低损耗平面微带传输线的方案理论上不会显著恶化组件噪声，缺点是传输线过长会增加空间布线的难度和显著的通道串扰。本文中采用了盘旋走线的同轴线方案。其中，通道3补偿度数最大，约635°，线缆展开长度约1 035 mm，盘好后两端长度约20 mm。该方案同时完成了通道2和通道4的交叉。

电源管理和信号控制单元主要实现将系统提供的+6.5 V稳压输出到+5 V，将-6.5 V稳压输出到-5 V，为开关电路、低噪放电路、移相衰减电路提供相应的驱动。

4五通道接收组件组装及测试

微波单片电路采用粘结、键合等微组装工艺装入到标准化陶瓷管壳中，再将封装好的器件采用电装、机装等工艺装入接收组件中，封盖采用激光封焊工艺，整套工艺成熟可靠。图6所示为接收组件实物照片。

图6　接收组件实物照片

该接收组件具有5个输入、1个输出共6个微波端口。控制数据兼有串行数据和并行数据。综合考虑多端口、幅相控制多状态等特点，完成一次手动测试约需0.5 h，为此利用编程软件编写了自动化测试程序，完成一次自动测试约需1 min，测试结果可自动保存，测试效率显著提高。接收组件的增益测试曲线见图7。

图7　接收组件的实测增益曲线

接收组件的噪声系数测试曲线见图8。

图8　接收组件的实测噪声系数曲线

接收组件的驻波测试曲线见图9。

图9　接收组件的实测驻波曲线

以上所示曲线均为参考零态时测得。

根据实测结果，组件单通道增益典型值25 dB，噪声系数典型值3.5 dB，驻波比小于1.5∶1，组件工作稳定，通道间串扰小。

将采用平面微带传输线的方案和盘旋同轴线的方案进行测试对比，对比结果见表1,可见盘旋同轴线的方案优势显著。

表1　两种方案测试结果对比

5结束语

本文基于芯片组装工艺、电装工艺、机装工艺，设计制作了一种集成电长度补偿功能的五通道接收组件。组件工作在C频段，集成了限幅、通道选择、5位移相、5位衰减、电长度补偿、信号合成、电压转换等功能，采用盘旋同轴线方案实现了最大635°的电长度补偿。实测结果表明整个带内增益大于25 dB,噪声系数典型值约3.5 dB,端口驻波比小于1.5∶1，总功耗780 mW，具有小型化、高集成、低功耗等特点，对类似的组件设计具有参考价值。

参考文献：

[1]孙海峰.Ka频段小型化接收组件研究[D].西安：西安电子科技大学,2014.SUN Haifeng.Research of Ka-band miniature reception module [D].Xi′an:Xidian University,2014.(in Chinese)

[2]王耀召，万涛.四通道微波接收组件的设计毫米波有源相控阵TR 组件集成技术 [J].现代导航，2013(1)：62-66.

WANG Yaozhao,WAN Tao.Design of four-channel microwave receiving module [J].Modern Navigation，2013(1)：62-66.(in Chinese)

[3]SMITH D G，HESTON D D，ALLEN D L.Designing high-power limiter circuits with GaAs PIN diodes[C]//Proceedings of 1999 IEEE MTT-S Internaticnal Microware Symposium Digest.Anahein,CA,USA:IEEE,1999：329-332.

[4]李倩.微波开关电路的设计与应用[D].南京：南京理工大学，2015:30-41.

LI Qian.Design and application of microwave switch circuit[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2015:30-41.(in Chinese)

[5]GREBENNIKOV A.Power combiners,impedance transformers and directional couplers[J].High Frequency Electronics,2007,7(3):18-24.

[6]POZAR D M.微波工程[M].3版.张肇仪，周乐柱，吴德明，等,译.北京:电子工业出版社,2006.

POZAR D M.Microwave engineering[M].3rd ed.Translated by ZHANG Zhaoyi,ZHOU Lezhu,WU Deming,et al.Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2006.(in Chinese)

[7]方园.宽带数控延时线芯片的研制 [D].成都：电子科技大学,2011:16-32.

FANG Yuan.Design of broadband digital true time delay chip[D].Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China,2011:16-32.(in Chinese)

A C-band Five-channel Receiving Module with Electrical Length Compensation

JIA Yuwei,ZHANG Haoran,ZENG Zhi,PIAO Zhenzhen

(The 13th Research Institute of China Electronics Technology Corporation Group(CETC)，Shijiazhuang 050051，China)

Abstract：This paper presents the design procedure,operating principle and schematic of a C-band five-channel receiving module.Design scheme of each circuit is described,including electrical length compensation unit,channel selection unit,amplitude and phase control unit and signal combination unit.The method of twisted coaxial line is used to realise electrical length compensation,the maximum value of electrical length compensation up to 635 degree is realized.The receiving module has the function of limitation,channel selection,5-bit phase shift,5-bit attenuation,signal combination,voltage conversion and electrical length compensation.According test result,noise figure is 3.5 dB,gain is 25 dB,voltage standing wave ratio(VSWR) is 1.5∶1 and power dissipation is 780 mW.

Key words：C-band;microwave receiving module;electrical length compensation;five-channel;low power dissipation;three to one combiner

doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2016.06.018

收稿日期：2016-02-24；修回日期：2016-05-04Received date:2016-02-24；Revised date：2016-05-04

通信作者：jiayuwei19@163.comCorresponding author：jiayuwei19@163.com

中图分类号：TN802

文献标志码：A

文章编号：1001-893X(2016)06-0697-05

作者简介：

贾玉伟(1982—)，男，河北昌黎人，2005年于西安电子科技大学获学士学位，现为工程师，主要从事微波混合集成电路及微波模块电路的研究开发工作；

JIA Yuwei was born in Changli,Hebei Province,in 1982.He received the B.S. degree from Xidian University in 2005.He is now an engineer.His research concerns microwave hybrid integrated circuit and microwave modules.

Email：jiayuwei19@163.com

张浩然(1989—)，男，四川巴中人，2013年于电子科技大学获硕士学位，现为工程师，主要从事微波混合集成电路及微波模块电路的研究开发工作；

ZHANG Haoran was born in Bazhong,Sichuan Province,in 1989.He received the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2013.He is now an engineer.His research concerns microwave hybrid integrated circuit and microwave modules.

曾志(1979—)，女，广西来宾人，2002年于电子科技大学获学士学位，现为高级工程师，主要从事微波单片集成电路的研究开发工作；

ZENG Zhi was born in Laibin,Guangxi Zhuangzu Autonomous Region,in 1979.She received the B.S. degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2002.She is now a senior engineer.Her research concerns design of MMIC.

朴贞真(1983—)，女，黑龙江哈尔滨人，2009年于哈尔滨工业大学获硕士学位，现为工程师，主要从事微波混合集成电路及微波模块电路的研究开发工作。

PIAO Zhenzhen was born in Harbin,Heilongjiang Province,in 1983.She received the M.S.degree from Harbin Institute of Technology in 2009.She is now an engineer.Her research concerns microwave hybrid integrated circuit and microwave modules.

引用格式：贾玉伟，张浩然，曾志，等.一种集成电长度补偿功能的C频段五通道接收组件[J].电讯技术，2016,56(6):697-701.[JIA Yuwei,ZHANG Haoran,ZENG Zhi,et al.A C-band five-channel receiving module with electrical length compensation[J].Telecommunication Engineering,2016,56(6):697-701.]