[發明專利]具有幅度校準功能的低附加相移數控衰減器及設計方法

在審

• 申請號: 202211411439.4
• 申請日: 2022-11-11
• 公開（公告）號: CN115765679A
• 公開（公告）日: 2023-03-07
• 發明（設計）人: 李想;徐照旭;蔡喆;劉帥;杜明
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第十研究所
• 主分類號: H03H11/24
• 分類號: H03H11/24;H03H11/16;H03F1/30
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 周浩杰

本發明公開了一種具有幅度校準功能的低附加相移數控衰減器及設計方法，屬于毫米波相控陣T/R組件集成電路中的數控衰減器領域，包括多個不同衰減量的衰減單元，且不同衰減量的衰減單元分別級聯在一起；以及包括幅度誤差校準單元和相移補償單元，所述幅度誤差校準單元與衰減單元連接，且用于與衰減單元組合實現所需的衰減位，補償幅度誤差；所述相移補償單元，用于對附加相移進行補償。本發明具有低衰減幅度誤差的有效收益和低衰減附加相移的有效收益。

技術領域

本發明涉及毫米波相控陣T/R組件集成電路中的數控衰減器領域，更為具體的，涉及一種具有幅度校準功能的低附加相移數控衰減器及設計方法。

背景技術

相控陣系統被廣泛應用于雷達、衛星通信以及遙測等領域。例如：Ku頻段(10.7～12.7GHz和13.7～14.5GHz)和Ka頻段(17.7～20.2GHz和27.5～30GHz)衛星通信系統，以及毫米波5G(24.25～29.5GHz和37～43.5GHz)通信系統等。為了實現高速鏈路、靈活的信號覆蓋和抗干擾能力的結合，需要大量高性能的相控陣發射/接收(transmit/receive，T/R)前端模塊。在相控陣T/R的每個單元中，幅度控制單元用于補償單元之間的增益變化從而實現天線波束旁瓣水平(Side Lobe Level,SLL)的降低。為了實現SLL和波束零點的精確調整，需要高精度、大帶寬及小步進的幅度控制電路。對于一個16單元的均勻分布線陣，當完全相同信號幅度激勵于每個單元時，SLL為-13dB，通過調節每個單元的激勵信號幅度并結合切比雪夫/泰勒綜合法，SLL可以得到有效的壓制。為了獲得更低的SLL，需要更寬的幅度調節范圍。比如，-30dB的SLL需要不少于12dB的幅度調節范圍。幅度調節分辨率是影響波束成形的另外一個重要因數，減小幅度調節步進有助于增強波束形成性能。比如，一個16陣元的線陣，0.5dB的幅度調節步進可實現相較于理想模型同樣的性能。此外，在實現不同幅度調節時額外產生的相移變化不能太大，不然會嚴重影響相控陣系統的波束形成。因此，高精度衰減誤差、低附加相移、大衰減范圍的衰減器是高性能相控陣天線系統的重要組成元件。

可變增益放大器(Variable-Gain Amplifiers，VGA)和可調數控衰減器是實現幅度控制功能的兩種重要器件。傳統的VGA很難使帶寬、增益和線性度性能實現折中并且功耗較大，所以在應用方面存在一定的限制。相比于VGA，可調數控衰減器具有控制方式簡單、高線性度、大帶寬、大衰減范圍、低幅度誤差/附加相移、以及零功耗等優勢，更適合于微波毫米波頻段相控陣系統應用。目前，廣泛采用的三種典型衰減器拓撲結構分別為：分布式衰減、開關選通式衰減以及開關嵌入式T/Π型衰減。首先，分布式衰減器能提供較寬的帶寬和較低的插入損耗，但其占用電路面積較大且一般只能實現小于10-15dB的衰減范圍；其次，開關選通式衰減器能實現較低的幅度/相位誤差，但由于大量的串聯開關造成損耗較大；最后，開關嵌入式T/Π型衰減器具有較低的損耗、大衰減范圍以及面積小等優點，滿足大規模相控陣T/R應用。然而，開關嵌入式T/Π型衰減器依然存在著一些技術難點：1)多級衰減單元級聯時，由于衰減單元對負載阻抗比較敏感，以及工藝波動和高低溫變化，造成衰減幅度精確性降低；2)不同衰減狀態時的附加相移變化較大，需特別補償；3)由于晶體管和電路互聯布線的寄生電容影響，高頻(毫米波頻段)應用受到限制。

傳統微波毫米波集成電路主要采用Ⅲ－Ⅴ族化合物半導體工藝來設計和制造，比如基于GaAs工藝的衰減器能實現較高的衰減精度和低的附加相移而被廣泛應用于相控陣T/R組件。但是，Ⅲ－Ⅴ族化合物半導體工藝成本較高，器件集成度很低，并且在實際應用中需要額外的控制和驅動芯片。隨著工藝水平和設計技術的提高，硅基微波毫米波集成電路在性能上已經能與傳統Ⅲ－Ⅴ族化合物半導體集成電路相媲美。相較于Ⅲ－Ⅴ族化合物半導體微波集成電路，硅基微波集成電路具有高集成度、低功耗和低成本的優勢。由于硅基工藝的襯底阻抗很低，器件本身的寄生電容和金屬連線的寄生電容對電路的性能影響較大，采用硅基工藝制造的衰減器在高頻下實現高精度、低附加相移的難度較大。

發明內容