应用于相控阵收发组件的射频微波集成电路设计探讨

摘要：微波单片集成电路非常重要，目前已经在各类高技术装备中得到了广泛的应用。文章首先对相控阵收发组件射频微波集成电路的设计优点进行了介绍，然后基于GaN工艺基础进行射频微波集成电路的设计，取得了良好的设计效果，实现了数字电平直接对微波控制器件的控制。

关键词：相控阵收发组件；射频微波；集成电路设计；GaN工艺；高技术装备 文献标识码：A

中图分类号：TP391 文章编号：1009-2374（2016）35-0009-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.35.005

当前，微波单片集成电路已经在各类高技术装备中得到了广泛的应用，例如电子战系统、战术导弹、通信系统等。电路系统作为相控阵雷达的基础，电路组件的各个指标均会对雷达技术的发展造成影响，性能指标也影响着雷达的技术标准，体积和重量对雷达的成本、稳定性和小型化以及应用前景也有比较大的影响。而基于微波集成电路的设计可以有效降低雷达的重量、缩小雷达的体积、提高雷达的稳定性。

1 相控阵收发组件中应用射频微波集成电路的意义

1.1 射频损耗比较低，接收或者是发射的效率比较高

原来就有收发组件的可以直接连接天线，也可以直接做到天线上，从而使接收或者是发射信号的频率损耗得到有效控制。一般情况下，射频损耗要比无源相控小6～10dB，也就是灵敏度被提升了6～10dB，因此，在同样的发射功率下，雷达的最大探测距离会被提升70%左右。

1.2 提升了雷达分辨率

一般情况下，有源相控阵的信号带宽能够达到载波信号的1/5，而无源相控阵信号带宽的最大值仅为1/10左右，这就可以发现，有源相控阵雷达比无源相控阵雷达的频率高出很多。信号带宽增加以后，会给敌方跟踪造成严重的干扰，从而使雷达的抗干扰能力得到不断的提升。

1.3 实现了小型化和轻质化

单片微波集成电路被采用后，使雷达的体积得到了有效的缩减，使雷达的重量得到降低，从而使雷达成本得到了有效控制。

1.4 提高了可靠性

许多T/R组件分布在有源阵里，T/R组件出现问题的数目在10%左右的时候，雷达距离变化不明显；问题数目在5%之内的时候，副瓣电平变差不明显，所以有源相控阵雷达系统要比无源相控阵雷达系统的可靠性高出一个数量级。

1.5 多功能性

多个接收波束的自适应控制以及数字波束的构成都可以得到较好的实现，还可以将多功能进行较好的实现。

2 氮化镓工艺在射频微波集成电路设计中的应用

2.1 设计优点

在国民经济中，射频微波单片集成电路发挥的作用至关重要，尤其是在军事领域和通信领域中所发挥的作用特别重要。在民用通信行业中，硅基CMOS的RFIC占据着核心位置，尤其是在无线局域网中应用最为普遍，如今在军事领域中占据主导位置的则是化合物半导体。化合物半导体器件中磷化铟（In P）和砷化镓（Ga As）的特征频率基本可以实现280GHz，然而两种材质的输出功率比较有限，磷化铟（In P）的最佳值为1.5W/mm@30GHz，砷化镓（Ga As）的最佳输出功率值可以达到1.4W/mm@8GHz，这些材料的最佳输出值已经与极限值比较接近了。在高频无线通信领域里，尤其是雷达系统中，过去的窄禁带半导体已经接近被淘汰的边缘。

此外，在使用SiC材质的时候，其加工难度要比其他半导体材质高出很多，过去的离子束注入和刻蚀已经无法满足需要了，所以在使用微波功率的时候，Ga N材质越来越受到人们的欢迎。Ga N材质不但在微波功率领域中得到广泛的使用，还在微波低噪声领域得到了不断的使用，以往的收发系统里，在接收机的前端会安装限幅器，以此来确保接收机的安全可靠，同时给低噪音放大器提供保护，使其不会受到超大射频信号的干扰。Ga N基收发系统击穿电压值比较大、工作电压比较高，能够接收较大的功率容量，所以能够在Ga N基收发系统中取消限幅器，从而使系统更加的简便，使其性能得到不断提升。

2.2 电路设计

数字电路控制信号主要包括SPI转换和TTL电平两种输出形式，一般情况下，TTL电平控制着高速控制装置。对于将耗尽型晶体管当作开关的有些化合物半导体器件来说，主要使用Ga N和Ga As来进行实现，需要使用关断电压、晶体管导通以及TTL控制信号进行良性转换。要想使TTL电压转换成可控制耗尽型就需要转换TTL电平电路，主要的输出电压为Ga N基HEMT射频开关的启动和关闭两种互补型电路。经常使用的两组TTL电压值分别为3.3V和5V，日常使用到的TTL电平基本都是3.3V的，耗尽型Ga N晶体管的夹断阈值基本都是-2.5V，晶体管要想实现全部导通，其电压值一定要在-1V以上，实现全部开断的最佳电压值要在-3V以内，所以输出电压值的最佳范围为-4～0V之间。

在数字电路使用的过程中，耗尽型器件已经基本满足需要，要想使电路功能得以实现，需要使用增强型（E模）来完成，比如n型增强型器件等，关键性的结构有F等离子体处理增强型器件、pn结构、刻蚀槽栅结构以及薄势垒结构等。薄势垒结构器件的阈值电压都不高，受势垒层比较薄的影响，使得沟道载流子浓度都不高，进而使器件的饱和电流值都非常小；受刻蚀槽栅结构的精准度的影响，使得刻蚀深度技术很难实现，该技术的重复性不是很好，栅漏电比较突出，刻蚀损伤比较严重；pn结构器件击穿电压比较强，栅金属和沟道比较远，因此器件饱和电流和跨导不大，使得F离子体注入式增强型器件结构得到了普遍使用，该技术是由香港科技大学陈敬和蔡勇发明的，该技术重复性比较高，技术比较简单，对F等离子体的注入条件进行改变可以实现对调控器件阈值电压的控制。详见图1所示：

增强/耗尽型器件技术的不断发展与Ga N基增强型器件的发展有着直接的关系，西安电子科技大学在国防重点实验室使用宽带隙半导体技术对Ga N E/D模技术进行了不断的研究，从而得到了本文的主要研究内容，即TTL电平转换电路。Curtice2模型是主要的电路仿真模型原型，器件主要有肖特基二极管和增强/耗尽型HEMT两个组成部分，电源电压值为+5V或者-5V，电平转换电路的种类为反相器结构和差分转换结构。实验室Ga N技术需要不断改进，差分结构性能与E/D模技术有着直接关联，所以使用反相器逻辑更加合理。电平转换电路拓扑结构如图2所示：

输入端VIN的电压低于0.4V时，即为低电压，使得T2增强型晶体管的导通阈值电压得不到满足，T2晶体管就会自动断开，促使沟道电阻不断变大。二极管连接的是T1耗尽型晶体管，使其一直处于绝对导通状态，T2晶体管消耗了绝大多数的压降，T3的栅极电压与VDD比较接近，使得T3被完全导通。此时通过四个肖特基二极管将电压降低，使得VOUT1输出电压的电压值为0V。当VOUT1的电压值是0V的时候，T6晶体管被完全导通，为了使T5晶体管比T6晶体管的沟道电阻大，就需要将T5的输出电压设计成为0V，这时T8晶体管比T7晶体管的沟道电阻小，通过二极管将T7输出电压降低，输出VOUT2的低电压值与-4V比较接近。输入端VIN电压比2.7V大时，即为高电平，此时T2增强型晶体管被完全导通，沟道电阻非常低。T3关闭的时候，其栅极电压值与0V比较接近，四个肖特基二极管与T4实现并联，从而将电压值降低，T4的尺寸一定要科学，确保VOUT1的输出电压值达到-4V，此时T6晶体管完全关闭，T5输出的电压值为高电平值，T8被完全关闭，T7实现导通，通过二极管将电源电压VDD进行降压处理，使其达到0V，这就使得电平转换全部完成，详见图3所示。为了使耗尽型微波器件得到有效控制，电路就要将TTL电平转换成一组差分输出电压信号，其高、低电平分别为0V和-4V。

3 结语

综上所述，该电平转换电路将肖特基二极管和反相器串联到一起，然后使用器件的栅层金属作为互联结构，将肖特基二极管连接起来，省去了多层金属互联，工艺流程简化，布线也得到了进一步简化。

参考文献

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[2] 李士鹏，黄善国，张杰.智能光网络的分布式和动态网络管理[J].光通信技术，2010，（7）.

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作者简介：陈森（1982-），男，辽宁人，中国电子科技集团公司第二十九研究所工程师，硕士，研究方向：射频微波。

（责任编辑：黄银芳）