CN114070261A - 一种w波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器，包括：依次串联的电感L1、0.5dB衰减单元、1dB衰减单元、电感L2、4dB衰减单元、8dB衰减单元、2dB衰减单元、电感L3、16dB衰减单元和电感L4；电感L4的输出端并联有接地电容C0；0.5dB、1dB和2dB衰减单元采用简化的T型衰减单元；4dB衰减单元采用普通的π型衰减单元；8dB和16dB衰减单元采用具有相移补偿作用的π型衰减单元；各衰减单元中的开关采用双极型晶体管；每个衰减单元分配有一个用于切换衰减态和参考态的控制信号；4dB、8dB和16dB衰减单元内分别添加有反相器以产生与各自控制信号电平相反的反向控制信号。

Description

一种W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器

技术领域

本发明属于射频集成电路领域，具体涉及一种W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器。

背景技术

衰减器作为一种幅度控制电路，主要用于相控阵系统中。传统的衰减器结构主要包括分布式衰减器和开关内嵌式衰减器。分布式衰减器的基本结构如图1所示，该种类型的衰减器不存在串联寄生效应。但是由于需要用到大量传输线，因此需要占用较大面积，不利于电路集成。开关内嵌式衰减器主要包括T型衰减结构与π型衰减结构，如图2所示。通常来讲，T型衰减结构与π型结构的衰减范围都比较大，但是由于场效应管自身作为开关的非理想效应，使得衰减单元会有较大的插入损耗与附加相移。

此外，现有的衰减器主要用于W波段以下的频率范围，因此使用MOS管便可实现开关的功能。但是随着电路系统对于更高频段需求的增加，各种电路模块均开始研究W及以上波段的应用。对于数控衰减器来讲，当频率很高时，插入损耗与附加相移均会恶化甚至达到不可控范围，同时衰减精度也会变差，导致高频段数控衰减器的研究成本提高。

因此，如何设计出针对W波段的性能较优的数控衰减器，是当前一个热点的研究方向。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器，包括：

依次串联的电感L1、0.5dB衰减单元、1dB衰减单元、电感L2、4dB衰减单元、8dB衰减单元、2dB衰减单元、电感L3、16dB衰减单元和电感L4；

其中，所述电感L4的输出端并联有接地电容C0；所述0.5dB衰减单元、所述1dB衰减单元和所述2dB衰减单元采用简化的T型衰减单元；所述4dB衰减单元采用普通的π型衰减单元；所述8dB衰减单元和所述16dB衰减单元采用具有相移补偿作用的π型衰减单元；各衰减单元中的开关采用双极型晶体管；

每个衰减单元分配有一个用于切换衰减态和参考态的控制信号；所述4dB衰减单元、所述8dB衰减单元和所述16dB衰减单元内分别添加有反相器以产生与各自控制信号电平相反的反向控制信号。

在本发明的一个实施例中，所述简化的T型衰减单元，包括：

双极型晶体管Q1、电阻R1和电阻R2；

其中，所述双极型晶体管Q1的基极连接所述电阻R2的一端，所述电阻R2的另一端连接该简化的T型衰减单元的控制信号CTRL；所述双极型晶体管Q1的集电极连接在该简化的T型衰减单元的信号输入端IN和信号输出端OUT之间，且该简化的T型衰减单元的所述信号输入端IN和所述信号输出端OUT直接相连；所述双极型晶体管Q1的发射极连接所述电阻R1的一端，所述电阻R1的另一端接地。

在本发明的一个实施例中，所述普通的π型衰减单元，包括：

双极型晶体管Q2～Q5、电阻R3～R8；其中，

所述双极型晶体管Q2的集电极连接该普通的π型衰减单元的信号输入端IN、所述电阻R3的一端、所述双极型晶体管Q5的发射极以及所述双极型晶体管Q4的集电极；所述双极型晶体管Q2的发射极连接所述电阻R6的一端，所述电阻R6的另一端接地；

所述双极型晶体管Q3的集电极连接该普通的π型衰减单元的信号输出端OUT、所述电阻R3的另一端、所述双极型晶体管Q5的集电极以及所述双极型晶体管Q4的发射极；所述双极型晶体管Q3的发射极连接所述电阻R7的一端，所述电阻R7的另一端接地；

所述双极型晶体管Q2和所述双极型晶体管Q3的基极之间串联所述电阻R4和所述电阻R5；所述电阻R4和所述电阻R5之间连接该普通的π型衰减单元的控制信号CTRL；

所述双极型晶体管Q4和所述双极型晶体管Q5的基极相连并连接所述电阻R8的一端，所述电阻R8的另一端连接该普通的π型衰减单元的控制信号CTRL对应的反向控制信号

其中，该普通的π型衰减单元的控制信号CTRL与反向控制信号

利用该普通的π型衰减单元的反相器实现电平相反。

在本发明的一个实施例中，所述具有相移补偿作用的π型衰减单元，包括：

双极型晶体管Q6～Q9、电阻R9～R12以及电容C1、电容C2；其中，

所述双极型晶体管Q6的集电极连接该具有相移补偿作用的π型衰减单元的信号输入端IN、所述电阻R9的一端、所述双极型晶体管Q9的发射极以及所述双极型晶体管Q8的集电极；所述双极型晶体管Q6的发射极连接所述电容C1的一端，所述电容C1的另一端接地；

所述双极型晶体管Q7的集电极连接该具有相移补偿作用的π型衰减单元的信号输出端OUT、所述电阻R9的另一端、所述双极型晶体管Q9的集电极以及所述双极型晶体管Q8的发射极；所述双极型晶体管Q7的发射极连接所述电容C2的一端，所述电容C2的另一端接地；

所述双极型晶体管Q6和所述双极型晶体管Q7的基极之间串联所述电阻R10和所述电阻R11；所述电阻R10和所述电阻R11之间连接该具有相移补偿作用的π型衰减单元的控制信号CTRL；

所述双极型晶体管Q8和所述双极型晶体管Q9的基极相连并连接所述电阻R12的一端，所述电阻R12的另一端连接该具有相移补偿作用的π型衰减单元的控制信号CTRL对应的反向控制信号

其中，该具有相移补偿作用的π型衰减单元的控制信号CTRL与反向控制信号

利用该具有相移补偿作用的π型衰减单元的反相器实现电平相反。

在本发明的一个实施例中，所述4dB衰减单元、所述8dB衰减单元和所述16dB衰减单元中，任一衰减单元的反相器由PMOS管M1和NMOS管M2构成；其中，

所述PMOS管M1的漏极和所述NMOS管M2的漏极相连并连接该衰减单元的反向控制信号

所述PMOS管M1的源极和其衬底相连并连接电源电压VDD；所述NMOS管M2的源极和其衬底相连一同接地；所述PMOS管M1和所述NMOS管M2的基极相连并连接该衰减单元的控制信号CTRL。

在本发明的一个实施例中，所述W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器的制备工艺包括：

SiGe BiCMOS工艺。

在本发明的一个实施例中，所述W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器中，所有电阻、双极型晶体管、PMOS管和NMOS管均采用所述SiGe BiCMOS工艺的工艺库中所提供的模型及对应的版图；所有电容均采用所述工艺库中的MIM电容。

在本发明的一个实施例中，所述W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器中，所述电感L1～L4采用自行设计的电感版图；所述电感L1～L4所用金属为所述SiGeBiCMOS工艺所提供的顶层厚金属；其中，所述电感L1和所述电感L2采用六边形螺旋结构，所述电感L3和所述电感L4采用八边形螺旋结构。

在本发明的一个实施例中，所述W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器的工作频段包括：

92GHz～96GHz。

在本发明的一个实施例中，所述W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器中，所述电感L1和所述电感L2为20pH；所述电感L3和所述电感L4为40pH；所述接地电容C0为17fF。

本发明实施例针对W波段提出了一种六位数控衰减器，包括依次串联的电感L1、0.5dB衰减单元、1dB衰减单元、电感L2、4dB衰减单元、8dB衰减单元、2dB衰减单元、电感L3、16dB衰减单元和电感L4；具体提供的衰减范围为0.5dB-31.5dB，衰减的步进值为0.5dB，共提供有64个衰减状态。为保证较高的衰减精度和较低的附加相移，所述0.5dB衰减单元、所述1dB衰减单元和所述2dB衰减单元采用简化的T型衰减单元；所述4dB衰减单元采用普通的π型衰减单元；所述8dB衰减单元和所述16dB衰减单元采用具有相移补偿作用的π型衰减单元；各衰减单元中的开关采用双极型晶体管，而非场效应管，因而能够有效降低插入损耗。对于4dB、8dB和16dB的衰减单元内部均各自添加了反相器。

进一步的，本发明实施例采用SiGe BiCMOS工艺。并且，本发明实施例的电感L1～L4采用自行设计的结构，相比于SiGe BiCMOS工艺的工艺库中所提供的模型和版图，能够有效地节省版图的面积，并在一定程度上提升电感的Q值。

附图说明

图1为现有的基本分布式衰减器的电路结构图；

图2(a)和图2(b)分别为现有的基本T型衰减器的电路结构图与基本π型衰减器的电路结构图；

图3为本发明实施例所提供的一种W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器的整体结构示意图；

图4(a)和图4(b)分别为本发明实施例提供的4dB衰减器单元开关采用场效应管与双极型晶体管的仿真结果；

图5为本发明实施例所提供的简化的T型衰减单元的电路结构图；

图6为本发明实施例所提供的普通π型衰减单元的电路结构图；

图7为本发明实施例所提供的相移补偿作用的π型衰减单元的电路结构图；

图8为本发明实施例所提供的反相器的电路结构图；

图9为本发明实施例的电感L1和电感L2所采用的六边形螺旋结构的平面示意图；

图10为本发明实施例的电感L3和电感L4所采用的八边形螺旋结构的平面示意图；

图11(a)和图11(b)分别为本发明实施例设计的20pH电感与40pH电感的Q值的仿真结果图；

图12为本发明实施例所提供的W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器的衰减量的仿真结果示意图；

图13为本发明实施例所提供的W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器的附加相移的仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

为了设计出针对W波段的性能较优的数控衰减器，本发明提供了一种W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器，请参见图3所示，所述W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器包括：

依次串联的电感L1、0.5dB衰减单元、1dB衰减单元、电感L2、4dB衰减单元、8dB衰减单元、2dB衰减单元、电感L3、16dB衰减单元和电感L4。

其中，所述电感L4的输出端并联有接地电容C0；所述0.5dB衰减单元、所述1dB衰减单元和所述2dB衰减单元采用简化的T型衰减单元；所述4dB衰减单元采用普通的π型衰减单元；所述8dB衰减单元和所述16dB衰减单元采用具有相移补偿作用的π型衰减单元；各衰减单元中的开关采用双极型晶体管。

每个衰减单元分配有一个用于切换衰减态和参考态的控制信号；所述4dB衰减单元、所述8dB衰减单元和所述16dB衰减单元内分别添加有反相器以产生与各自控制信号电平相反的反向控制信号。

本发明实施例提供了一个六位数控衰减器，包括六个衰减单元，按照信号传输方向分别为0.5dB衰减单元、1dB衰减单元、4dB衰减单元、8dB衰减单元、2dB衰减单元和16dB衰减单元。为了简化，后文以该六位数控衰减器代表本发明实施例的W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器。

该六位数控衰减器中各衰减单元的开关均采用双极型晶体管，而非场效应管。具体的：

对于图1所示的分布式衰减器，其串联通路不存在开关，因此不存在开关晶体管的串联寄生效应，但是其串联通路上需要传输线进行阻抗匹配，一般都是选用四分之一波长的传输线，而对于W波段，比如92GHz-96GHz频段，传输线会占用很大的面积，因此不利于集成。对于图2所示的T型与π型结构衰减器，一般采用CMOS工艺，使用场效应管作为开关。但是在W波段，此时工作频率很高，已经超过了场效应管的截止频率，因此其非理想效应会很明显，包括产生寄生电阻、寄生电容等。发明人通过研究发现相比于场效应管，此时开关采用双极型晶体管更为合适。例如对于4dB衰减单元，开关采用场效应管与双极型晶体管的仿真结果分别如图4(a)和图4(b)所示。针对图4(a)和图4(b)的每个图，上方曲线表示插入损耗，下方曲线和上方曲线的数值差表示衰减量。对比可见，相比采用场效应管，采用双极型晶体管作为开关能够使得该衰减单元的插入损耗明显降低。

该六位数控衰减器最小衰减单元的衰减量为0.5dB，最大衰减单元的衰减量为16dB。因此，该六位数控衰减器的最小衰减量为0.5dB，最大衰减量为所有衰减单元的衰减量总和31.5dB。依据最小衰减单元的衰减量为0.5dB，其余衰减单元的衰减量满足最小衰减单元衰减量的2ⁿ，该六位数控衰减器衰减量的步进为0.5dB。

该六位数控衰减器的每个衰减单元都分配有一个控制信号CTRL，其电平电压由外部输入。具体在图3中，不同衰减单元的控制信号CTRL后缀有表示衰减单元序号的数字，如0.5dB衰减单元的控制信号表示为CTRL1。所述4dB衰减单元、所述8dB衰减单元和所述16dB衰减单元分别内置有反相器，以产生各自的反向控制信号，这几个衰减单元的反向控制信号以后缀有表示衰减单元序号数字的

表示，其电平与对应衰减单元的CTRL的电平相反。

针对每一衰减单元，当该衰减单元的控制信号为高电平时，该衰减单元处于衰减态，即对输入信号进行衰减操作；当衰减单元的控制信号为低电平时，该衰减单元处于参考态。在本发明实施例中，控制信号为高电平或者低电平时的电平电压值可以根据需要设置，比如可选的一种实施方式中，控制信号为高电平时的电平电压可以为1.8V，控制信号为低电平时的电平电压可以为0V。

该六位数控衰减器，对于单个衰减单元来讲，当控制信号为高电平时，该衰减单元处于衰减态，当控制信号为低电平时，该衰减单元处于参考态。该衰减单元固有的插入损耗实际上会使该衰减单元的输入信号产生一定损耗，因此在参考态下也会有一定的衰减量，这时衰减量的值即为该衰减单元的插入损耗。该衰减单元的衰减态与其参考态的差值即为该衰减单元实际的衰减量，该衰减单元的衰减态相位与其参考态相位的差值为该衰减单元的附加相移，可以理解的是，附加相移越小越好。

当六个衰减单元级联构成该六位数控衰减器后，由于每个衰减单元的控制信号均有高电平和低电平两种状态，即每个衰减单元可处于各自的衰减态或者参考态，因此，可以理解的是，该六位数控衰减器共有64种衰减状态。

由于该六位数控衰减器处于不同的衰减状态时，各衰减单元的端口阻抗以及整个衰减器的端口阻抗均会发生变化，因此在设计时需要尽力将各端口匹配相同的阻抗值。此外，在设计过程中，不同衰减单元级联的顺序也会影响衰减器的整体性能，因此需要对各种级联顺序进行仿真测试最后选出最优的级联方案。本发明实施例经过仿真测试，最终确定该六位数控衰减器选用的级联顺序为0.5dB→1dB→4dB→8dB→2dB→16dB。

当六个衰减单元的控制信号均为低电平时，六个衰减单元均处于参考态，此时的衰减量是电路的插入损耗，是64种衰减状态中最小的衰减量，该种状态被称为电路参考态。反之，当六个衰减单元的控制信号均为高电平时，六个衰减单元均处于衰减态，该六位数控衰减器处于最大衰减量31.5dB。针对64种衰减状态，每个衰减状态与电路参考态之间的衰减量差值，便是该衰减状态下实际的衰减量。该衰减状态下实际的衰减量与标称的理想情况下的衰减量的差值便是该衰减状态下的衰减精度。各种衰减状态下衰减精度的均方根便是该六位数控衰减器的衰减精度。各个衰减状态与所述电路参考态之间传输相移的差值便是该衰减状态下的附加相移。各个衰减状态下附加相移的均方根便是该六位数控衰减器的附加相移。衰减精度的值越小，衰减精度越高。附加相移越小，该六位数控衰减器对整个系统其他电路模块相位的影响就越小。当附加相移较大时，该六位数控衰减器会对移相器等对相位敏感的电路造成严重的影响。

为了实现提高衰减精度、减小附加相移等目标。本发明实施例对所述0.5dB衰减单元、所述1dB衰减单元和所述2dB衰减单元采用简化的T型衰减单元；对所述4dB衰减单元采用普通的π型衰减单元；对所述8dB衰减单元和所述16dB衰减单元采用具有相移补偿作用的π型衰减单元。具体的：

请参见图5，图5为本发明实施例所提供的简化的T型衰减单元的电路结构图。所述简化的T型衰减单元，包括：

双极型晶体管Q1、电阻R1和电阻R2。

其中，所述双极型晶体管Q1的基极连接所述电阻R2的一端，所述电阻R2的另一端连接该简化的T型衰减单元的控制信号CTRL；所述双极型晶体管Q1的集电极连接在该简化的T型衰减单元的信号输入端IN和信号输出端OUT之间，且该简化的T型衰减单元的所述信号输入端IN和所述信号输出端OUT直接相连；所述双极型晶体管Q1的发射极连接所述电阻R1的一端，所述电阻R1的另一端接地。

具体的，由于采用所述简化的T型衰减单元，对于0.5dB衰减单元、1dB衰减单元以及2dB衰减单元来说，每个衰减单元只有一个双极型晶体管Q1，即只有一个开关控制，信号通路没有开关。当控制信号接高电平时开关导通，该双极型晶体管Q1导通，信号在衰减支路上发生衰减，此时衰减单元处于衰减态；当控制信号接低电平时，此时该双极型晶体管Q1截止，实现开关断开，理想情况下衰减支路不会有信号流过，此时衰减单元处于参考态。

请参见图6，图6为本发明实施例所提供的普通π型衰减单元的电路结构图。所述普通的π型衰减单元，包括：

双极型晶体管Q2～Q5、电阻R3～R8；其中，

所述双极型晶体管Q2的集电极连接该普通的π型衰减单元的信号输入端IN、所述电阻R3的一端、所述双极型晶体管Q5的发射极以及所述双极型晶体管Q4的集电极；所述双极型晶体管Q2的发射极连接所述电阻R6的一端，所述电阻R6的另一端接地。

所述双极型晶体管Q3的集电极连接该普通的π型衰减单元的信号输出端OUT、所述电阻R3的另一端、所述双极型晶体管Q5的集电极以及所述双极型晶体管Q4的发射极；所述双极型晶体管Q3的发射极连接所述电阻R7的一端，所述电阻R7的另一端接地。

所述双极型晶体管Q2和所述双极型晶体管Q3的基极之间串联所述电阻R4和所述电阻R5；所述电阻R4和所述电阻R5之间连接该普通的π型衰减单元的控制信号CTRL。

所述双极型晶体管Q4和所述双极型晶体管Q5的基极相连并连接所述电阻R8的一端，所述电阻R8的另一端连接该普通的π型衰减单元的控制信号CTRL对应的反向控制信号

其中，该普通的π型衰减单元的控制信号CTRL与反向控制信号

利用该普通的π型衰减单元的反相器实现电平相反。

具体的，由于采用所述普通的π型衰减单元，对于4dB衰减单元来说，当控制信号接高电平时，并联到地的双极型晶体管Q2和所述双极型晶体管Q3导通，实现衰减支路开关导通，串联的双极型晶体管Q4和所述双极型晶体管Q5截止，实现信号支路开关断开，此时信号通路会发生衰减，该衰减单元处于衰减状态。相反，当控制信号接低电平时，所述双极型晶体管Q2和所述双极型晶体管Q3截止，实现衰减支路开关断开，所述双极型晶体管Q4和所述双极型晶体管Q5导通，实现信号支路开关导通；理想情况下信号从输入到输出不发生衰减，此时衰减器处于参考态。

请参见图7，图7为本发明实施例所提供的相移补偿作用的π型衰减单元的电路结构图。所述具有相移补偿作用的π型衰减单元，包括：

双极型晶体管Q6～Q9、电阻R9～R12以及电容C1、电容C2；其中，

所述双极型晶体管Q6的集电极连接该具有相移补偿作用的π型衰减单元的信号输入端IN、所述电阻R9的一端、所述双极型晶体管Q9的发射极以及所述双极型晶体管Q8的集电极；所述双极型晶体管Q6的发射极连接所述电容C1的一端，所述电容C1的另一端接地。

所述双极型晶体管Q7的集电极连接该具有相移补偿作用的π型衰减单元的信号输出端OUT、所述电阻R9的另一端、所述双极型晶体管Q9的集电极以及所述双极型晶体管Q8的发射极；所述双极型晶体管Q7的发射极连接所述电容C2的一端，所述电容C2的另一端接地。

所述双极型晶体管Q6和所述双极型晶体管Q7的基极之间串联所述电阻R10和所述电阻R11；所述电阻R10和所述电阻R11之间连接该具有相移补偿作用的π型衰减单元的控制信号CTRL。

所述双极型晶体管Q8和所述双极型晶体管Q9的基极相连并连接所述电阻R12的一端，所述电阻R12的另一端连接该具有相移补偿作用的π型衰减单元的控制信号CTRL对应的反向控制信号

其中，该具有相移补偿作用的π型衰减单元的控制信号CTRL与反向控制信号

利用该具有相移补偿作用的π型衰减单元的反相器实现电平相反。

具体的，所述具有相移补偿作用的π型衰减单元是在所述普通的π型衰减单元的电路结构基础上，将衰减支路上的电阻更改为电容。原因在于，对于T型及π型衰减单元来说，当处于衰减态时，其相移比参考态时的相移超前，致使附加相移增大。而低通滤波器具有相移滞后的特性，因此可在衰减单元的电路中增加低通滤波器结构来改善附加相移。因此，本发明实施例将衰减支路上的两个电阻替换成电容。这时衰减支路相当于低通滤波器，可以使衰减态时的相移滞后，从而减小电路的附加相移。此外，由于电容本身也具有一定的阻抗，而且当频率处于W波段时，电容本身的阻抗也可以实现对信号可控的衰减，因此，通过控制电容的容值，可以使得衰减单元的衰减精度和附加相移均能够达到较好的结果。

由于采用所述具有相移补偿作用的π型衰减单元，8dB衰减单元以及16dB衰减单元来说，当控制信号接高电平时，并联到地的双极型晶体管Q6和所述双极型晶体管Q7导通，实现衰减支路开关导通，串联的双极型晶体管Q8和所述双极型晶体管Q9截止，实现信号支路开关断开，此时信号通路会发生衰减，该衰减单元处于衰减状态。相反，当控制信号接低电平时，所述双极型晶体管Q6和所述双极型晶体管Q7截止，实现衰减支路开关断开，所述双极型晶体管Q8和所述双极型晶体管Q9导通，实现信号支路开关导通；理想情况下信号从输入到输出不发生衰减，此时衰减器处于参考态。

本发明实施例针对所述4dB衰减单元、所述8dB衰减单元和所述16dB衰减单元，在各衰减单元内分别添加有反相器，以产生与各自控制信号CTRL电平相反的反向控制信号

因此，在实际测试中，针对上述任一衰减单元，仅需在外部给出该衰减单元的控制信号CTRL即可，利用该衰减单元内置的反相器则可以将CTRL的电平进行高低电平反向，从而产生该衰减单元的反向控制信号

而不需要再在该衰减单元外部引入反相器或其他措施实现控制信号的高低电平转换。本发明实施例可以选取任意一种能够实现高低电平转换的电路实现反向器，在此不做限制。

可选的一种实施方式中，反相器采用场效应管构成。具体请参见图8所示，图8为本发明实施例所提供的反相器的电路结构图。所述4dB衰减单元、所述8dB衰减单元和所述16dB衰减单元中，任一衰减单元的反相器由PMOS管M1和NMOS管M2构成。

其中，所述PMOS管M1的漏极和所述NMOS管M2的漏极相连并连接该衰减单元的反向控制信号

所述PMOS管M1的源极和其衬底相连并连接电源电压VDD；所述NMOS管M2的源极和其衬底相连一同接地；所述PMOS管M1和所述NMOS管M2的基极相连并连接该衰减单元的控制信号CTRL。

需要说明的是，所述4dB衰减单元、所述8dB衰减单元和所述16dB衰减单元中所述PMOS管M1的参数可以不同，所述NMOS管M2的参数也可以不同。

并且，图5～图8中的CTRL仅表示对应衰减单元的控制信号，

仅表示对应衰减单元的反向控制信号，并不意味着向各衰减单元提供的控制信号相同，或者向各衰减单元提供的反向控制信号相同。

可选的一种实施方式中，所述W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器的制备工艺包括：SiGe BiCMOS工艺。

SiGe BiCMOS工艺即为锗化硅(SiGe)工艺，本发明实施例具体采用IBM公司提供的SiGe BiCMOS工艺。

可选的一种实施方式中，所述W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器中，所有电阻、双极型晶体管、PMOS管和NMOS管均采用所述SiGe BiCMOS工艺的工艺库中所提供的模型及对应的版图；所有电容均采用所述工艺库中的MIM电容。

具体的，所述SiGe BiCMOS工艺的工艺库中提供有各种器件的模型参数，器件具体包括双极型晶体管、场效应管、电阻和电容等。本发明实施例在设计衰减器电路时，是根据所述SiGe BiCMOS工艺，在其工艺库中选择器件的，然后确定各器件之间的连接关系、参数并进行电路的优化仿真。其中，MIM电容是指金属-绝缘体-金属电容，该电容的上下极板是金属，中间是绝缘体。

在本发明实施例进行电感设计时发现，所述SiGe BiCMOS工艺的工艺库中会提供几层金属，金属一般采用铝或者铜。不同层金属的厚度和材质不一样。底层金属由于距离衬底很近，会存在严重的衬底效应，而且金属很薄，不适合制作电感。工艺库中的顶层金属一般都是厚金属，而且距离衬底最远，其衬底效应较小，因此电感的感量较大、Q值较高。

由于本发明实施例所设计的衰减器的工作频段很高，因此不需要较大感量的电感，而上述工艺库中的电感面积很大，而且工作频率范围较低，不适合用于本发明实施例的衰减器电路结构中，因此需要自行设计。

具体的，所述W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器中，所述电感L1～L4采用自行设计的电感版图；所述电感L1～L4所用金属为所述SiGe BiCMOS工艺所提供的顶层厚金属；其中，所述电感L1和所述电感L2采用六边形螺旋结构，所述电感L3和所述电感L4采用八边形螺旋结构。

关于所述电感L1～L4的螺旋形结构，本发明实施例针对螺旋电感的形状进行研究，具体可以有四边形结构、六边形结构以及八边形结构。其中，电感的形状越接近圆形，其Q值越高，因此可以均采用八边形结构。但可选的一种实施方式中，由于本发明实施例设计的所述电感L1和所述电感L2的感量，相对于所述电感L3和所述电感L4的感量较小，因此，所述电感L1和所述电感L2采用六边形螺旋结构即可，所述电感L3和所述电感L4采用八边形螺旋结构。

关于所述电感L1和所述电感L2采用的六边形螺旋结构，请参见图9所示。关于所述电感L3和所述电感L4采用的八边形螺旋结构，请参见图10所示。

本发明实施例的该六位数控衰减器针对W波段，可选的一种实施方式中，所述W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器的工作频段包括：

92GHz～96GHz。其中心频率为94GHz。

可见，本发明实施例的该六位数控衰减器，相较于一般的衰减器，具有较高的工作频率。

可选的一种实施方式中，所述W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器中，所述电感L1和所述电感L2为20pH；所述电感L3和所述电感L4为40pH；所述接地电容C0为17fF。

具体的，对于该六位数控衰减器各衰减单元的级间匹配，本发明实施例采用电感进行匹配，由于频率很高，所需要的电感的感量很小。经过仿真测试确定所述电感L1和L2可以为20pH，所述电感L3和L4可以为40pH。整个六位步进衰减器的输入输出端口匹配采用L型匹配网络实现，即输入端口仅采用20pH的小电感L1进行匹配，输出端口用40pH的小电感L4与17fF的小电容C0进行匹配。

本发明实施例针对W波段提出了一种六位数控衰减器，包括依次串联的电感L1、0.5dB衰减单元、1dB衰减单元、电感L2、4dB衰减单元、8dB衰减单元、2dB衰减单元、电感L3、16dB衰减单元和电感L4；具体提供的衰减范围为0.5dB-31.5dB，衰减的步进值为0.5dB，共提供有64个衰减状态。为保证较高的衰减精度和较低的附加相移，所述0.5dB衰减单元、所述1dB衰减单元和所述2dB衰减单元采用简化的T型衰减单元；所述4dB衰减单元采用普通的π型衰减单元；所述8dB衰减单元和所述16dB衰减单元采用具有相移补偿作用的π型衰减单元；各衰减单元中的开关采用双极型晶体管，而非场效应管，因而能够有效降低插入损耗。对于4dB、8dB和16dB的衰减单元内部均各自添加了反相器。

进一步的，本发明实施例采用SiGe BiCMOS工艺。并且，本发明实施例的电感L1～L4采用自行设计的结构，相比于SiGe BiCMOS工艺的工艺库中所提供的模型和版图，能够有效地节省版图的面积，并在一定程度上提升电感的Q值。

为了验证本发明实施例提供的W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器的具体性能，对其电路仿真结果进行说明。

该六位数控衰减器的所有的仿真结果均是后仿真结果。此时的双极型晶体管和场效应晶体管均在Cadence中利用PEX工具进行了寄生参数的提取，剩余的无源部分利用ADS中的电磁仿真工具Momentum来对其进行电磁仿真，通过这种联合仿真的方式所得的结果更接近芯片测试时的真实结果。

(1)电感仿真

本发明实施例对电感L1～L4的感值优化后，确定所述电感L1和所述电感L2为20pH；所述电感L3和所述电感L4为40pH。

20pH电感与40pH电感的Q值的仿真结果分别如图11(a)和图11(b)所示。对20pH电感来讲，其Q值约为13.8。对于40pH电感，其Q值约为19.3。

(2)电路仿真

本发明实施例通过对电路元件进行优化，确定的元件参数值请见表1。

表1该六位数控衰减器的元件参数值

相应的仿真结果如图12和图13所示。图12为本发明实施例所提供的W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器的衰减量的仿真结果示意图；图13为本发明实施例所提供的W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器的附加相移的仿真结果示意图。图12和图13中多条曲线分别对应64个衰减状态的仿真结果。

可以看出，该六位数控衰减器在中心频率94GHz的插入损耗仅仅有11dB，通过计算可得，在94GHz处的衰减量的均方根误差仅仅只有0.33dB，完全小于该六位数控衰减器的步进值。因此具有较高的衰减精度高。

附加相移过大会给相控阵芯片的其他电路模块的设计带来困难，因此附加相移越小越好。通过计算可得，该六位数控衰减器在中心频率94GHz处的附加相移仅仅只有9.17°，在如此高的频率下该附加相移是完全可以接受的。

综上所述，本发明实施例的该六位数控衰减器实现了在92GHz-96GHz频率下对信号的衰减，提供的衰减范围为0.5dB-31.5dB，衰减的步进值为0.5dB，共提供有64个衰减状态。该六位数控衰减器的插入损耗为11dB，衰减量的均方根误差为0.33dB，附加相移的均方根为9.17°。因此，具有较高的衰减精度、较低的插入损耗和较低的附加相移。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器，其特征在于，包括：

依次串联的电感L1、0.5dB衰减单元、1dB衰减单元、电感L2、4dB衰减单元、8dB衰减单元、2dB衰减单元、电感L3、16dB衰减单元和电感L4；

其中，所述电感L4的输出端并联有接地电容C0；所述0.5dB衰减单元、所述1dB衰减单元和所述2dB衰减单元采用简化的T型衰减单元；所述4dB衰减单元采用普通的π型衰减单元；所述8dB衰减单元和所述16dB衰减单元采用具有相移补偿作用的π型衰减单元；各衰减单元中的开关采用双极型晶体管；

每个衰减单元分配有一个用于切换衰减态和参考态的控制信号；所述4dB衰减单元、所述8dB衰减单元和所述16dB衰减单元内分别添加有反相器以产生与各自控制信号电平相反的反向控制信号。

2.根据权利要求1所述的W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器，其特征在于，所述简化的T型衰减单元，包括：

双极型晶体管Q1、电阻R1和电阻R2；

其中，所述双极型晶体管Q1的基极连接所述电阻R2的一端，所述电阻R2的另一端连接该简化的T型衰减单元的控制信号CTRL；所述双极型晶体管Q1的集电极连接在该简化的T型衰减单元的信号输入端IN和信号输出端OUT之间，且该简化的T型衰减单元的所述信号输入端IN和所述信号输出端OUT直接相连；所述双极型晶体管Q1的发射极连接所述电阻R1的一端，所述电阻R1的另一端接地。

3.根据权利要求1所述的W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器，其特征在于，所述普通的π型衰减单元，包括：

双极型晶体管Q2～Q5、电阻R3～R8；其中，

所述双极型晶体管Q2的集电极连接该普通的π型衰减单元的信号输入端IN、所述电阻R3的一端、所述双极型晶体管Q5的发射极以及所述双极型晶体管Q4的集电极；所述双极型晶体管Q2的发射极连接所述电阻R6的一端，所述电阻R6的另一端接地；

所述双极型晶体管Q3的集电极连接该普通的π型衰减单元的信号输出端OUT、所述电阻R3的另一端、所述双极型晶体管Q5的集电极以及所述双极型晶体管Q4的发射极；所述双极型晶体管Q3的发射极连接所述电阻R7的一端，所述电阻R7的另一端接地；

所述双极型晶体管Q2和所述双极型晶体管Q3的基极之间串联所述电阻R4和所述电阻R5；所述电阻R4和所述电阻R5之间连接该普通的π型衰减单元的控制信号CTRL；

所述双极型晶体管Q4和所述双极型晶体管Q5的基极相连并连接所述电阻R8的一端，所述电阻R8的另一端连接该普通的π型衰减单元的控制信号CTRL对应的反向控制信号

其中，该普通的π型衰减单元的控制信号CTRL与反向控制信号

利用该普通的π型衰减单元的反相器实现电平相反。

4.根据权利要求1所述的W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器，其特征在于，所述具有相移补偿作用的π型衰减单元，包括：

双极型晶体管Q6～Q9、电阻R9～R12以及电容C1、电容C2；其中，

所述双极型晶体管Q6的集电极连接该具有相移补偿作用的π型衰减单元的信号输入端IN、所述电阻R9的一端、所述双极型晶体管Q9的发射极以及所述双极型晶体管Q8的集电极；所述双极型晶体管Q6的发射极连接所述电容C1的一端，所述电容C1的另一端接地；

所述双极型晶体管Q7的集电极连接该具有相移补偿作用的π型衰减单元的信号输出端OUT、所述电阻R9的另一端、所述双极型晶体管Q9的集电极以及所述双极型晶体管Q8的发射极；所述双极型晶体管Q7的发射极连接所述电容C2的一端，所述电容C2的另一端接地；

所述双极型晶体管Q6和所述双极型晶体管Q7的基极之间串联所述电阻R10和所述电阻R11；所述电阻R10和所述电阻R11之间连接该具有相移补偿作用的π型衰减单元的控制信号CTRL；

所述双极型晶体管Q8和所述双极型晶体管Q9的基极相连并连接所述电阻R12的一端，所述电阻R12的另一端连接该具有相移补偿作用的π型衰减单元的控制信号CTRL对应的反向控制信号

其中，该具有相移补偿作用的π型衰减单元的控制信号CTRL与反向控制信号

利用该具有相移补偿作用的π型衰减单元的反相器实现电平相反。

5.根据权利要求3或4所述的W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器，其特征在于，所述4dB衰减单元、所述8dB衰减单元和所述16dB衰减单元中，任一衰减单元的反相器由PMOS管M1和NMOS管M2构成；其中，

所述PMOS管M1的漏极和所述NMOS管M2的漏极相连并连接该衰减单元的反向控制信号

所述PMOS管M1的源极和其衬底相连并连接电源电压VDD；所述NMOS管M2的源极和其衬底相连一同接地；所述PMOS管M1和所述NMOS管M2的基极相连并连接该衰减单元的控制信号CTRL。

6.根据权利要求1所述的W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器，其特征在于，所述W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器的制备工艺包括：

SiGe BiCMOS工艺。

7.根据权利要求6所述的W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器，其特征在于，所述W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器中，所有电阻、双极型晶体管、PMOS管和NMOS管均采用所述SiGe BiCMOS工艺的工艺库中所提供的模型及对应的版图；所有电容均采用所述工艺库中的MIM电容。

8.根据权利要求6所述的W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器，其特征在于，所述W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器中，所述电感L1～L4采用自行设计的电感版图；所述电感L1～L4所用金属为所述SiGe BiCMOS工艺所提供的顶层厚金属；其中，所述电感L1和所述电感L2采用六边形螺旋结构，所述电感L3和所述电感L4采用八边形螺旋结构。

9.根据权利要求1所述的W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器，其特征在于，所述W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器的工作频段包括：

92GHz～96GHz。

10.根据权利要求9所述的W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器，其特征在于，所述W波段的高精度低插损低附加相移的数控衰减器中，所述电感L1和所述电感L2为20pH；所述电感L3和所述电感L4为40pH；所述接地电容C0为17fF。

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