应用于相控阵收发组件的射频微波集成电路设计探讨

时间：2024-05-04

张旺南京恒电电子有限公司

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微波单片集成电路作为电子技术的重要组成部分，在各种电子设备当中发挥着重要作用，因此，微波单片集成电路已被广泛应用于各种高技术装备当中。本文首先介绍了射频微波集成电路应用于相控阵收发组件的设计优点，以GaN工艺为设计基础，设计射频微波基础电路，最终达到了微波控制器件通过数字电平直接控制的效果。

射频微波集成电路相控阵收发组件 GaN工艺应用设计

微波单片集成电路拥有许多优点，当其应用于电子设备时可以有效降低设备的重量、体积，而且还可有效提高电子设备的运行稳定性。因此，微波集成电路在诸如战术导弹、电子战系统以及通信设备等各种高技术军事设备中被广泛应用[1]。

1 射频微波集成电路在相控阵收发组件中的技术优势

1.1 收发效率高，射频损耗低

由于微波集成电路原本自带的收发组件可以直接与天线连接，因此雷达信号的收发频率损耗可以被有效降低。通常其射频损耗与无源相控相比要降低6dB—10dB，因此也就相当于灵敏度增加了6dB—10dB，所以雷达最大探测距离扩大了近65%—75%。

1.2 提高雷达分辨率，实现雷达小型化

通常有源相控阵雷达的信号带宽可以达到载波信号带宽的1/5，但是无源相控阵雷达信号带宽最大值同比仅为1/10。因此，有源相控阵雷达的频率相比无源而言更高。信号带宽的提高使得雷达的抗干扰能力得到增强。相控阵雷达中采用微波集成电路，其体积和重量被显著降低，成本也随之得到控制[2]。

1.3 可靠性增强

在有源相控阵雷达当中，应用了大量T/R组件，当有10%的T/R组件出现故障时，雷达探测距离不会受到明显影响。当有5%的T/R组件出现故障时，副瓣电平变差不显著。因此，有源相控阵雷达系统的可靠性更强。

2 微波集成电路设计中GaN工艺的应用

2.1 设计优势

目前，在军事和通信领域中射频微波单片集成电路发挥着巨大作用，已经成为相关领域不可或缺的重要组成部分。在军事领域中，化合物半导体的应用占据着主导地位。而GaN则是一种非常具有应用潜力半导体材质。以GaN为基础的信号收发系统的击穿电压大、工作电压高、收发容量功率高，并且不需要配置限幅器，从而使得系统得到简化，性能和可靠性得到提升。

2.2 电路设计

控制数字电路的信号有两种输出方式，即TTL电平和SPI转换。高速控制装置一般由TTL电平实现控制。以GaN和GaAs为基的半导体器件可实现以耗尽型晶体管作为开关，通过对TTL电平电路的转换可以使TTL电压转换为可控耗尽型，GaN基HEMT射频开关的开启与闭合两种互补的电路作为输出的电压。耗尽型器件可以满足数字电路使用需求，但是需要通过增强型（E模）来实现电路的功能。常见的E模有n型增强型器件等，常用的结构包括F等离子体处理增强型器件、刻蚀槽栅结构、薄势垒结构以及pn结构等。pn结构器件的击穿电压相对较大，沟道与栅金属较远，所以pn结构器件的跨导和饱和电流均较小。因此F离子体注入式增强型器件被广泛应用。

GaN基增强型器件的发展促进了增强和耗尽型器件的快速发展。Curtice2模型作为电路仿真模型的重要原型，其主要由肖特基二极管和增强/耗尽型HEMT两种器件构成，其电源电压值为±5V，有反向器结构和差分转换结构两种结构的电平转换电路。由于E/D模技术直接与差分结构的性能相联系，并且实验室中GaN的技术需要进一步优化，因此，反相器结构的逻辑性更能满足要求。图1显示了电平转换电路的拓扑结构。

图1 电平转换电路拓扑结构示意图

低电平状态时，输入端VIN的电压小于0．4V，则无法满足增强型晶体管导通阈值所需要的电压，T2断开，沟道电阻持续升高。耗尽型晶体管T1与二极管直接相连，因此二极管的状态始终是绝对导通，晶体管T2则是占用了大部分的压降，由于VDD与T3的栅极电压较为接近，因此T3同T2一样处于导通状态。利用4个肖特基二极管降低电压，则V0UT1电压输出值为0V，此时，晶体管T6完全导通，将T5输出电压调整至0V，使得晶体管T6的沟道电阻低于T5，晶体管T7和T8沟道电阻较小，降低T7输出电压，则V0UT2输出的电压维持在-4V附近。高电平时，输入端VIN电压大于2．7V，T2完全导通，沟道电阻很大。当T3关闭，栅极电压近似为0，T4与4个肖特基二极管并联，电压较低，通过调整T4的尺寸，保证V0UT1的输出电压稳定在-4V左右，晶体管T8处于关闭状态，T7导通，利用二极管降低电源VDD电压至0V，电平的转换得以实现。