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幅度校准功能的低附加相移数控衰减器
2023年电子技术应用第2期
李想
中国西南电子技术研究所, 四川 成都 610036
摘要:提出了一种可用于Ka 波段相控阵系统的高精度低附加相移五位数控衰减器(Digital Controlled Attenuator,DCA)。该DCA采用了嵌入式开关的T型、简化T型和Π型三种衰减结构设计基本衰减单元,实现了15.5 dB的衰减动态范围和0.5 dB的最小衰减步进。幅度校准技术被用于信号通路中,可有效降低由工艺波动引起的衰减幅度误差增大问题,增强了电路设计的鲁棒性。同时,在T型和Π型衰减结构中采用电容补偿技术提高其高频衰减性能,实现低附加相移。基于65 nm CMOS工艺,对所提出的DCA进行了优化仿真、流片与测试验证。芯片核心尺寸为500 µm×150 µm。测试结果表明:在25~35 GHz频带范围内,参考态插入损耗为6.54~8.6 dB,32衰减态对应的输入/输出回波损耗优于-15 dB,幅度误差RMS和相位误差RMS分别为0.12~0.26 dB和1.02°~2.07°。
中图分类号:TN402
文献标志码:A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.222955
中文引用格式:李想. 幅度校准功能的低附加相移数控衰减器[J]. 电子技术应用,2023,49(2):26-31.
英文引用格式:Li Xiang. Low phase variation digital controlled attenuator with amplitude calibration function[J]. Application of Electronic Technique,2023,49(2):26-31.
Low phase variation digital controlled attenuator with amplitude calibration function
Li Xiang
Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China
Abstract:This paper presents a high accuracy and low phase variation 5-bit digital controlled attenuator (DCA) for Ka-band phased-array system applications. The DCA adopts three attenuation topologies of T-type, simplified T-type and Π-type topologies with embedded switches to design the basic attenuation cells, and realizes the attenuation dynamic range of 15.5 dB and the minimum attenuation step of 0.5 dB. Amplitude calibration technology is used in signal path, which can effectively reduce the increase of attenuation amplitude error caused by process fluctuation and enhance the robustness of circuit design. At the same time, capacitance compensation technology is used in T-type and Π-type attenuation topologies to improve their high-frequency attenuation performance and achieve low phase variation. Based on 65 nm CMOS process, the proposed DCA is optimization simulated, taped out, measured and verified. The core area of the chip is 500 µm×150 µm. The measurement results show that within frequency range of 25~35 GHz, the insertion loss of reference state is 6.54~8.6 dB, the input/output return loss corresponding to 32 attenuation states is better than -15 dB, and the amplitude error RMS and phase error RMS are 0.12~0.26 dB and 1.02~2.07o, respectively.
Key words :digital controlled attenuator;amplitude calibration;low amplitude error;low phase variation

0 引言

目前,相控阵系统被广泛应用于雷达、卫星通信以及遥测等领域。为了实现高速链路、灵活的信号覆盖和抗干扰能力的结合,需要大量高性能的相控阵发射/接收(Transmit/Receive,T/R)前端模块[1-2]。在相控阵T/R的每个单元中,幅度控制单元用于补偿单元之间的增益变化从而实现天线波束旁瓣水平(Side Lobe Level, SLL)的降低[3]。为了实现SLL和波束零点的精确调整,需要高精度、大带宽及小步进的幅度控制电路[4]

衰减器和可变增益放大器[5](Variable-Gain Amplifiers,VGA)是实现幅度控制功能的两种重要器件。相比于VGA,衰减器具有高线性度、大带宽、大衰减范围、低幅度误差/附加相移以及零功耗等优势,更适合于微波毫米波频段相控阵系统应用。图1所示为广泛采用的几种典型衰减器拓扑结构。分布式衰减器能提供较宽的带宽和较低的插入损耗,但其占用电路面积较大且一般只能实现小于10~15 dB的衰减范围[6-7]。开关选通式衰减器能实现较低的幅度/相位误差,但由于大量的串联开关造成损耗较大[8-9]。开关嵌入式T/Π型衰减器具有较低的损耗、大衰减范围以及面积小等优点,满足大规模相控阵T/R应用[10-13]。然而,开关嵌入式T/Π型衰减器依然存在着一些技术难点:(1)多级衰减单元级联时,由于衰减单元对负载阻抗比较敏感以及工艺波动和高低温变化,造成衰减幅度精确性降低;(2)不同衰减状态时的附加相移变化较大,需特别补偿;(3)由于晶体管和电路互联布线的寄生电容影响,高频(毫米波频段)应用受到限制。




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作者信息:

李想

(中国西南电子技术研究所, 四川 成都 610036)




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