程控可變五位互易微波單片集成衰減器的製作方法
2023-09-16 21:44:05 2
專利名稱：程控可變五位互易微波單片集成衰減器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微波單片集成電路，尤其是一種程控可變五位互易微波單片集成衰減器。
背景技術：
數字衰減器是微波通訊系統中常用元器件。數字衰減器通常由不同衰減量的單位衰減網絡級聯而成，通過不同單位的組合實現多種衰減量，從而實現對信號的控制處理。傳統的衰減器採用PIN或是GaAs MESFET作為核心開關控制器件，其思路都是通過控制衰減網絡來實現單位衰減，然後級聯形成需要的多位衰減器，通過開關通道的開與關實現信號的衰減和不衰減。並且傳統的衰減器對應的控制碼為標準的二進位編碼，這種衰減器的不足之處為(1)不衰減時，由於多位自然插入損耗由多位疊加，造成信號的損失；(2)不同單位之間存在失配，難以實現線性疊加，導致衰減精度不高；(3)採用大尺寸管芯開關，對工藝的加工精度要求較高，導致實際成品率不高；(4) 一旦某位發生偏移，則整個與該位相關的狀態均發生偏移，存在遺傳性。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種精度高、成品率高的程控可變五位互易微波單片集成衰減器。為解決上述技術問題，本發明所採取的技術方案是
一種程控可變五位互易微波單片集成衰減器，其特徵在於由輸入埠駐波調節模塊、 微波衰減模塊、輸出埠駐波調節模塊和控制模塊組成；所述輸入埠駐波調節模塊與輸出埠駐波調節模塊完全對稱；
所述輸入埠駐波調節模塊由第一至第四級輸入埠駐波調節電路級聯組成；所述第一至第四級輸入埠駐波調節電路級結構相同，其中第一級輸入埠駐波調節電路由第一駐波調節電路單元和第一控制開關串聯而成；
所述微波衰減模塊由第一至第四級微波衰減電路、第五級微波衰減電路和微波幅度平衡電路並聯組成；所述第一至第四級微波衰減電路結構相同，其中第一級微波衰減電路由第一固定衰減單元和第一微波單刀單擲開關串聯組成；
所述輸出埠駐波調節模塊由第一至第四級輸出埠駐波調節電路級聯組成；所述第一至第四級輸出埠駐波調節電路結構相同，其中第一級輸出埠駐波調節電路由第五駐波調節電路單元和第五控制開關串聯而成；
所述控制模塊的控制輸出端分別與第一至第八控制開關、第一至第五微波單刀單擲開關相連。所述的程控可變五位互易微波單片集成衰減器，其特徵在於所述第一級輸入埠駐波調節電路單元由場效應管T6、電阻R6和電阻R61組成；所述第二級輸入埠駐波調節電路單元由場效應管T7、電阻R7和電阻R71組成；所述第三級輸入埠駐波調節電路單元由場效應管T8、電阻R8和電阻R81組成；所述第四級輸入埠駐波調節電路單元由場效應管T9、電阻R9和電阻R91組成；所述場效應管T6、T7、T8和T9的漏極並聯後與信號輸入埠 PORTl連接，其源極分別經電阻R6、R7、R8和R9接地，柵極分別經電阻R61、R71、R81 和R91接控制模塊的VI、V2、V3和V4埠；
所述微波幅度平衡電路27由電阻RO及所連接導線組成，一端連接輸入埠 P0RT1，另一端連接輸出埠 P0RT2 ；所述第一級微波衰減電路由場效應管T5、電阻R5和電阻R51組成；所述第二級微波衰減電路由場效應管T4、電阻R4和電阻R4組成；所述第三級微波衰減電路由場效應管T3、電阻R3和電阻R3組成；所述第四級微波衰減電路由場效應管T2、電阻R2和電阻R21組成；所述第五級微波衰減電路由場效應管Tl、電阻Rl和電阻Rll組成； 所述場效應管T1、T2、T3、T4、T5的漏極並聯後連接輸入埠 P0RT1，其源極分別經電阻R1、 R2、R3、R4和R5接輸出埠 P0RT2，柵極分別經電阻Rll、R21、R31、R41和R51接控制模塊的 V5、V6、V7、V8 和 V9 埠 ；
所述第一級輸出埠駐波調節電路由場效應管TlO電阻RlO和電阻RlOl組成；所述第二級輸出埠駐波調節電路由場效應管Tll電阻Rll和電阻Rlll組成；所述第三級輸出埠駐波調節電路由場效應管T12電阻R12和電阻R121組成；所述第四級輸出埠駐波調節電路由場效應管T13電阻R13和電阻R131組成；所述場效應管T10、TlU T12和T13的漏極並聯後連接輸出埠 P0RT2，其源極分別經電阻RIO、RlU R12和R13接地，柵極分別經電阻RlOl、Rlll、R121和R131接控制模塊的V4、V3、V2和Vl埠。所述的程控可變五位互易微波單片集成衰減器，其特徵在於第一至第五微波單刀單擲開關(10、12、14、16、18)、第一至第八控制開關控制開關(2、4、6、8、20、22、24、洸)採用砷化鎵場效應電晶體實現。所述的程控可變五位互易微波單片集成衰減器，其特徵在於埠均歸一化至50 歐姆。所述的程控可變五位互易微波單片集成衰減器，其特徵在於所述第一至第五固定衰減單元的固定衰減量比值為1: 2: 4: 8:16。所述的程控可變五位互易微波單片集成衰減器，其特徵在於所述電路集成在單片晶圓上。所述的程控可變五位互易微波單片集成衰減器，其特徵在於所述控制模塊的控制編碼與衰減量的關係如附表所示，其中Al為最小衰減量，控制開關2，4，6、8，微波單刀單擲開關10、12、14、16、18，控制開關20,22,24,26對應的控制端分別為V1、V2、V3、V4、V5、V6、 V7、V8、V9、V4、V3、V2、V1。採用上述技術方案所產生的有益效果在於
1、當不對微波信號衰減時，所有控制開關均關閉、所有微波單刀單擲開關均開啟。由於所有衰減網絡並聯，所以對微波信號的損耗非常的小；
2、所有的控制開關、所有微波單刀單擲開關均採用非常小的砷化鎵場效應電晶體實現，開關性能非常好；
3、晶片面積的縮小可以大大提高晶圓利用率；
4、由於採用小的砷化鎵場效應電晶體，所以衰減器的工作帶寬可以非常寬；所有衰減電路與微波幅度平衡電路並聯可以實現整個工作頻帶內有非常均衡平坦的衰減量；5、可以採用編碼方式實現自動控制衰減量，編碼沒有規律，不是單純的二進位碼，某一位對狀態的貢獻很小，一旦某一位發生偏移，不會對結果造成多大的影響；
6、埠均歸一化至50歐姆，可以級聯使用，以實現更大的衰減量；
7、新結構的引入降低了工藝的敏感度，使晶片成品率從60%提高到80%。
圖1是本發明的結構示意圖； 圖2是實施例的電路圖。
具體實施例方式1、一種程控可變五位互易微波單片集成衰減器，其特徵在於由輸入埠駐波調節模塊、微波衰減模塊、輸出埠駐波調節模塊和控制模塊27組成；所述輸入埠駐波調節模塊與輸出埠駐波調節模塊完全對稱；
所述輸入埠駐波調節模塊由第一至第四級輸入埠駐波調節電路級聯組成；所述第一至第四級輸入埠駐波調節電路級結構相同，其中第一級輸入埠駐波調節電路由第一駐波調節電路單元1和第一控制開關2串聯而成；
所述微波衰減模塊由第一至第四級微波衰減電路、第五級微波衰減電路和微波幅度平衡電路觀並聯組成；所述第一至第四級微波衰減電路結構相同，其中第一級微波衰減電路由第一固定衰減單元9和第一微波單刀單擲開關10串聯組成；
所述輸出埠駐波調節模塊由第一至第四級輸出埠駐波調節電路級聯組成；所述第一至第四級輸出埠駐波調節電路結構相同，其中第一級輸出埠駐波調節電路由第五駐波調節電路單元19和第五控制開關20串聯而成；
所述控制模塊27的控制輸出端分別與第一至第八控制開關2、4、6、8、20、22、對、26、第一至第五微波單刀單擲開關10、12、14、16、18相連。所述的程控可變五位互易微波單片集成衰減器，其特徵在於所述第一級輸入埠駐波調節電路單元由場效應管T6、電阻R6和電阻R61組成；所述第二級輸入埠駐波調節電路單元由場效應管T7、電阻R7和電阻R71組成；所述第三級輸入埠駐波調節電路單元由場效應管T8、電阻R8和電阻R81組成；所述第四級輸入埠駐波調節電路單元由場效應管T9、電阻R9和電阻R91組成；所述場效應管T6、T7、T8和T9的漏極並聯後與信號輸入埠 PORTl連接，其源極分別經電阻R6、R7、R8和R9接地，柵極分別經電阻R61、R71、R81 和R91接控制模塊的VI、V2、V3和V4埠；
所述微波幅度平衡電路27由電阻RO及所連接導線組成，一端連接輸入埠 P0RT1，另一端連接輸出埠 P0RT2 ；所述第一級微波衰減電路由場效應管T5、電阻R5和電阻R51組成；所述第二級微波衰減電路由場效應管T4、電阻R4和電阻R4組成；所述第三級微波衰減電路由場效應管T3、電阻R3和電阻R3組成；所述第四級微波衰減電路由場效應管T2、電阻R2和電阻R21組成；所述第五級微波衰減電路由場效應管Tl、電阻Rl和電阻Rll組成； 所述場效應管T1、T2、T3、T4、T5的漏極並聯後連接輸入埠 P0RT1，其源極分別經電阻R1、 R2、R3、R4和R5接輸出埠 P0RT2，柵極分別經電阻Rll、R21、R31、R41和R51接控制模塊的 V5、V6、V7、V8 和 V9 埠 ；所述第一級輸出埠駐波調節電路由場效應管TlO電阻RlO和電阻RlOl組成；所述第二級輸出埠駐波調節電路由場效應管Tll電阻Rll和電阻Rlll組成；所述第三級輸出埠駐波調節電路由場效應管T12電阻R12和電阻R121組成；所述第四級輸出埠駐波調節電路由場效應管T13電阻R13和電阻R131組成；所述場效應管T10、TlU T12和T13的漏極並聯後連接輸出埠 P0RT2，其源極分別經電阻RIO、RlU R12和R13接地，柵極分別經電阻RlOl、Rlll、R121和R131接控制模塊的V4、V3、V2和Vl埠。所述的程控可變五位互易微波單片集成衰減器，其特徵在於第一至第五微波單刀單擲開關10、12、14、16、18、第一至第八控制開關控制開關2、4、6、8、20、22、24、沈採用砷化鎵場效應電晶體實現。所述的程控可變五位互易微波單片集成衰減器，其特徵在於埠均歸一化至50 歐姆。所述的程控可變五位互易微波單片集成衰減器，其特徵在於所述第一至第五固定衰減單元9、11、13、15、17的固定衰減量比值為1: 2: 4: 8:16。所述的程控可變五位微波單片集成衰減器，其特徵在於所述電路集成在單片晶圓上。微波信號依次經過輸入埠駐波調節模塊的四級駐波調節電路，進行輸入埠駐波調節；然分成六路微波信號分別進微波衰減模塊的五級微波衰減電路和微波幅度平衡電路，實現信號的衰減；最後匯總進入輸出埠駐波調節模塊，依次經過輸出埠駐波調節模塊中的四級駐波調節電路，進行輸出埠駐波調節後輸出。Rll R131通常取為2000歐姆 3000歐姆。假定入射功率是pi (單位瓦)，分成六路，分別進入五級微波衰減電路 9，11，13，15，17和微波幅度平衡電路28。假定所佔比例是al, a2, a3, a4, a5, a6那麼 al*pl，a2*pl, a3*pl, a4*pl，a5*pl, a6*pl分別為即將通過五級微波衰減電路和微波幅度平衡電路的信號功率。實際電路中，由於衰減電路固有的衰減屬性，導致其不可能全部通過，假定其通過率分別為bl，b2, b3, b4, b5, b6那麼如果五路均未形成信號反射，那麼通過的信號功率理想狀態下為
al*bl*pl, a2*b2*pl, a3*b3*pl, a4*b4*pl, a5*b5*pl, 氺b6氺pi。最終輸出後匯總得到的功率為信號由於各路固有衰減特性造成的信號損耗為
pi- (al*bl*pl+a2*b2*pl+a3*b3*pl+a4*b4*pl+a5*b5*pl+a6*b6*pl) =P(l-al*bl-a2*b2-a3*b3-a4*b4-a5*b5-a6*b6)。這也就是微波衰減模塊所造成的衰減器的固有插入損耗。那麼這部分損耗通常遠低於傳統的衰減器的插入損耗。當微波單刀單擲開關斷開時，微波信號通過衰減電路後被微波單刀單擲開關反射，反射波被輸入埠調節模塊電路吸收而不進入行輸出埠駐波調節模塊；當微波單刀單擲開關閉合時，微波信號通過衰減電路單元，雖然信號被衰減，但衰減量不大。當所有微波單刀單擲開關短路時，實現對信號的最小衰減；當所有微波單刀單擲開關斷開時實現對信號的最大衰減。
當所有支路的信號全部反射時，即最大衰減時，通過率bl=b2=b3=b4=b5=0，所以信號損耗為全部功率pl_a6*l36*pl。控制模塊通過控制控制開關的開斷來實現埠駐波調節電路對不同衰減狀態下的反射波的吸收。通過編碼的組合控制微波衰減網絡和埠駐波調節電路，可以實現相應的衰減量要求以及良好的埠電壓駐波比。如果要求的四位衰減器的衰減量分別是A1，A2，A3，A4，A5,那麼有 A5=2*A4=4*A3=8*A2=16*A1，並且
10*log (a2+a3+a4+a5+a6)=_abs(Al)， 10*log (a3+a4+a5+a6)=A2=_abs(2*A1)， 10*log (a2+a4+a5+a6)=A3=_abs(4*A1)， 10氺log (al+a5+a6)=A4=-abs(8氺Al)， 10*log (al+a6)=A5=_abs(16*A1)， 10*log(a6)=Al+A2+A3+A4+A5=-abs(31*A1)，
當 Al=O. 5 時，可以推得 al=0. 16，a2=0. 10，a3=0. 26，a4=0. 29，a5=0. 24，a6 ^ 0，也就是說五路衰減支路在開通時的電阻之比分別為16:10:26J9:24.在實際情況中，控制開關和微波單刀單擲開關均為非理想開關，在開通狀態下，存在寄生阻抗Mn，關斷狀態下存在寄生阻假定五路的開通或關斷阻抗分別為hnl，Zoffl, Zon2, Zoff2, Zon3, Zoff3, Zon4, Zoff4, Zon5, Zoff5統一用Zl Z5表示，微波幅度平衡模塊的阻抗為 Zp=RO,輸入埠駐波調節模塊、輸出埠駐波調節模塊的阻抗分別為Z6 Z9 (根據是否開通定義阻抗分別為Zoff6, Zon7, Zoff7, Zon8, Zoff8,Zon9, hff9根據是否對稱而是否將阻抗擴充為 ZlO Z13)。有(Zonl+Rl) (Zon2+R2) (Zon3+R3) (Zon4+R4) (Zon5+R5) =16:10:26:29:24,那麼再聯立如下的計算公式來確定各元件值
插損態時，即衰減量為 0 時Al=20*log(Zxl* Zyl+50* Zxl+50* Zyl)/(50* Zyl),其中 Zyl=hfT6 Il Zoff7 Zoff8 Il Zoff9, Zxl= Zonl Il Zon2 Il Zon3 Il Zon4 Il Zon5 Il Zp ； 任意衰減態時
A2=20*log(Zx2* Zy2+50* Zx2+50* Zy2)/(50* Zy2), Jt 中 Zy2= Z6 // Z7 // Z8 // Z9,，Zxl= Zl // Z2 // Z3 // TA // Z5 // Zp，而只需按照編碼要求將 Zl Z9、代為相應的Zon或Zoff即可。衰減量的計算公式是At=A2_Al。同時由於電壓駐波比要求，還必須滿足以下公式
50= Zyl* (Zxl*Zyl+50*Zxl+50*Zyl)/((50+Zyl)*(Zyl+Zxl)+50*Zyl) 50= Zx2* (Zy2*Zx2+50*Zy2+50*Zx2)/((50+Zx2)*(Zx2+Zy2)+50*Zx2) 根據五位衰減器共32個狀態的衰減量，以及共32個狀態的駐波狀態，可以得到64個方程，加之前面的五個衰減模塊之間的對應比例關係(可以消掉4個變量)，完全可以確定四個控制開關(8 個變量Zoff6, Zon7, Zoff7, Zon8, Zoff8, Zon9, hff9)，五個衰減單元(5個變量R1，R2，R3，R4，R5)，五個微波單刀單擲開關(10個變量Zonl，Zoffl, Zon2, Zoff2, Zon3, Zoff3, Zon4, Zoff4, Zon5, hff5)，一個微波幅度平衡電路(1 個變量:R0)，四個駐波調節電路單元(4個變量R6，R7，R8，R9)，共(28-4=24)個變量。所述的程控可變五位互易微波單片集成衰減器，其特徵在於控制模塊KZQ的控制編碼與衰減量的關係如附表所示，其中最小衰減量Al為ldB， 控制開關2，4，6、8，微波單刀單擲開關10、12、14、16、18，控制開關20、22、24、 26 對應的控制端分另Ij 為 VI、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8、V9、V4、V3、V2、VI。
權利要求
1.一種程控可變五位互易微波單片集成衰減器，其特徵在於由輸入埠駐波調節模塊、微波衰減模塊、輸出埠駐波調節模塊和控制模塊(27)組成；所述輸入埠駐波調節模塊與輸出埠駐波調節模塊完全對稱；所述輸入埠駐波調節模塊由第一至第四級輸入埠駐波調節電路級聯組成；所述第一至第四級輸入埠駐波調節電路級結構相同，其中第一級輸入埠駐波調節電路由第一駐波調節電路單元(1)和第一控制開關(2)串聯而成；所述微波衰減模塊由第一至第五級微波衰減電路和微波幅度平衡電路(28)並聯組成； 所述第一至第五級微波衰減電路結構相同，其中第一級微波衰減電路由第一固定衰減單元 (9)和第一微波單刀單擲開關(10)串聯組成；所述輸出埠駐波調節模塊由第一至第四級輸出埠駐波調節電路級聯組成；所述第一至第四級輸出埠駐波調節電路結構相同，其中第一級輸出埠駐波調節電路由第五駐波調節電路單元(19 )和第五控制開關(20 )串聯而成；所述控制模塊(27)的控制輸出端分別與第一至第八控制開關(2、4、6、8、20、22、24、 洸)、第一至第五微波單刀單擲開關(10、12、14、16、18)相連。
2.根據權利要求1所述的程控可變五位互易微波單片集成衰減器，其特徵在於所述第一級輸入埠駐波調節電路單元由場效應管T6、電阻R6和電阻R61組成；所述第二級輸入埠駐波調節電路單元由場效應管T7、電阻R7和電阻R71組成；所述第三級輸入埠駐波調節電路單元由場效應管T8、電阻R8和電阻R81組成；所述第四級輸入埠駐波調節電路單元由場效應管T9、電阻R9和電阻R91組成；所述場效應管T6、T7、T8和T9的漏極並聯後與信號輸入埠 PORTl連接，其源極分別經電阻R6、R7、R8和R9接地，柵極分別經電阻 R61、R71、R81和R91接控制模塊的V1、V2、V3和V4埠 ；所述微波幅度平衡電路27由電阻RO及所連接導線組成，一端連接輸入埠 P0RT1，另一端連接輸出埠 P0RT2 ；所述第一級微波衰減電路由場效應管T5、電阻R5和電阻R51組成；所述第二級微波衰減電路由場效應管T4、電阻R4和電阻R4組成；所述第三級微波衰減電路由場效應管T3、電阻R3和電阻R3組成；所述第四級微波衰減電路由場效應管T2、電阻R2和電阻R21組成；所述第五級微波衰減電路由場效應管Tl、電阻Rl和電阻Rll組成； 所述場效應管T1、T2、T3、T4、T5的漏極並聯後連接輸入埠 P0RT1，其源極分別經電阻R1、 R2、R3、R4和R5接輸出埠 P0RT2，柵極分別經電阻Rll、R21、R31、R41和R51接控制模塊的 V5、V6、V7、V8 和 V9 埠 ；所述第一級輸出埠駐波調節電路由場效應管TlO電阻RlO和電阻RlOl組成；所述第二級輸出埠駐波調節電路由場效應管Tll電阻Rll和電阻Rlll組成；所述第三級輸出埠駐波調節電路由場效應管T12電阻R12和電阻R121組成；所述第四級輸出埠駐波調節電路由場效應管T13電阻R13和電阻R131組成；所述場效應管T10、TlU T12和T13的漏極並聯後連接輸出埠 P0RT2，其源極分別經電阻RIO、RlU R12和R13接地，柵極分別經電阻RlOl、Rlll、R121和R131接控制模塊的V4、V3、V2和Vl埠。
3.根據權利要求1所述的程控可變五位互易微波單片集成衰減器，其特徵在於第一至第五微波單刀單擲開關(10、12、14、16、18)、第一至第八控制開關控制開關(2、4、6、8、 20、22、M、26)採用砷化鎵場效應電晶體實現。
4.根據權利要求1所述的程控可變五位互易微波單片集成衰減器，其特徵在於埠均歸一化至50歐姆。
5.根據權利要求1所述的程控可變五位互易微波單片集成衰減器，其特徵在於所述第一至第五固定衰減單元(9、11、13、15、17)的固定衰減量比值為1: 2: 4: 8:16。
6.根據權利要求1所述的程控可變五位互易微波單片集成衰減器，其特徵在於所述電路集成在單片晶圓上。
全文摘要
本發明公開了一種程控可變五位互易微波單片集成衰減器，由輸入埠駐波調節模塊、微波衰減模塊、輸出埠駐波調節模塊和控制模塊(27)組成；所述輸入埠駐波調節模塊與輸出埠駐波調節模塊完全對稱。所述程控可變五位互易微波單片集成衰減器具有如下優點所有衰減網絡並聯，對微波信號的損耗非常的小；所有的控制開關、所有微波單刀單擲開關均採用非常小的砷化鎵場效應電晶體實現，開關性能非常好，衰減器的工作帶寬非常寬；衰減電路與微波幅度平衡電路並聯，整個工作頻帶內衰減量非常均衡平坦；衰減控制編碼沒有規律，某一位發生偏移，不會對結果造成多大的影響；新結構的引入降低了工藝的敏感度，使晶片成品率從60%提高到80%。
文檔編號H03H11/24GK102394590SQ20111016947
公開日2012年3月28日 申請日期2011年6月22日 優先權日2011年6月22日
發明者王會智 申請人:中國電子科技集團公司第十三研究所