12~30 GHz高精度低附加相移數控衰減器設計
電子技術應用
張斌，秦戰明，吳舒桐，張禮懌，楊俊浩，蔣穎丹
中國電子科技集團第五十八研究所
摘要： 為了滿足寬帶微波無線通信系統高精度的設計要求，采用砷化鎵（GaAs）0.15 μm PHEMT工藝設計了一款12~30 GHz高精度低附加相移的五位數控衰減器。該衰減器通過級聯五個不同衰減位，可實現最小步進為0.5 dB的0~15.5 dB衰減范圍，其中0.5 dB衰減位采用簡化T型衰減結構，1 dB、2 dB、4 dB和8 dB衰減位采用Lange耦合器式反射型結構。在反射型衰減拓撲結構中提出并采用了層疊開關晶體管技術和電容補償技術，有效降低了超寬頻帶內的附加相移，提高了衰減精度。電磁仿真顯示，在12~30 GHz頻帶范圍內，參考態插入損耗≤3.8 dB，衰減器的32態衰減均方根誤差（Root Mean Square， RMS）小于0.5 dB，典型值僅為0.3 dB，衰減器的32態附加相移不超過±3°，32態端口輸入回波損耗與輸出回波損耗均大于12 dB。電路尺寸僅為2.95 mm×1.2 mm。
中圖分類號：TN432 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256659
中文引用格式： 張斌，秦戰明，吳舒桐，等. 12~30 GHz高精度低附加相移數控衰減器設計[J]. 電子技術應用，2025，51(11)：116-121.
英文引用格式： Zhang Bin，Qin Zhanming，Wu Shutong，et al. Design of a 12~30 GHz high precision and low additional phase shift digital controlled attenuator[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(11)：116-121.
中文引用格式： 張斌，秦戰明，吳舒桐，等. 12~30 GHz高精度低附加相移數控衰減器設計[J]. 電子技術應用，2025，51(11)：116-121.
英文引用格式： Zhang Bin，Qin Zhanming，Wu Shutong，et al. Design of a 12~30 GHz high precision and low additional phase shift digital controlled attenuator[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(11)：116-121.
Design of a 12~30 GHz high precision and low additional phase shift digital controlled attenuator
Zhang Bin，Qin Zhanming，Wu Shutong，Zhang Liyi，Yang Junhao，Jiang Yingdan
China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute
Abstract： In order to meet the high-precision design requirements of broadband microwave wireless communication systems, a five-bit digital controlled attenuator with low additional phase shift in the 12~30 GHz range was designed using GaAs 0.15 μm PHEMT technology in this paper. This attenuator can achieve an attenuation range of 0 dB to 15.5 dB with a minimum step of 0.5 dB by cascading five different attenuation bits. Among them, the 0.5 dB attenuation bit adopts a simplified T-type attenuation structure, while the 1 dB, 2 dB, 4 dB and 8 dB attenuation bits adopt a Lange coupler-based reflective structure. In the reflective attenuator structure, the stacked switch transistor technology and capacitor compensation technology are adopted to effectively reduce the additional phase shift within the ultra-wide frequency band and improve the attenuation percosopn. Electromagnetic simulation shows that within the 12~30GHz frequency band, the insertion loss of the reference state is less than 3.8 dB, the root mean square (RMS) error of the 32-state attenuation of the attenuator is less than 0.5 dB, its typical value is only 0.3 dB, the additional phase shift of the 32-state attenuator is less than ±3°, and the input and output return losses at the ports are both greater than 12 dB. The circuit size is only 2.95 mm×1.2 mm.
Key words : high precision；low additional phase shift；digital controlled attenuator；GaAs；reflective structure；stacked switch transistor；capacitor compensation；root mean square error
引言
相控陣系統因其波束指向精確度高、波束合成快以及其快速波束掃描能力被廣泛應用于雷達和微波無線通信系統[1]。隨著無線通信技術的飛速發展,高性能、低成本、高集成度相控陣組件的需求越來越迫切。作為相控陣收發組件的核心組成單元，數控衰減器的基本工作原理就是改變微波器件的控制電壓來改變電路的工作狀態，從而對信號進行精確的幅度控制。數控衰減器不僅可以補償相控陣組件通道間的增益誤差，還可以實現相控陣組件旁瓣抑制的功能[2-3]。數控衰減器作為無源類的衰減器，相比有源可變增益放大器（VGA），具有低功耗、可雙向使用、高線性度、超寬帶等優勢，因此數控衰減器具有更廣的應用范圍[4]。
為了滿足毫米波相控陣系統高性能、高精度的需求, 設計一款具有高精度、低損耗、低附加相移的高性能數控衰減器顯得尤其重要。當今，射頻/微波集成電路的設計工藝主要有GaAs、GaN、InP等Ⅲ/Ⅴ族化合物工藝、CMOS工藝、SiGeBiCMOS工藝、SOI工藝等。每款工藝都具有優勢和不足之處。此次，采用GaAs 0.15 μm PHEMT工藝，設計了一款12~30 GHz的高精度五位數控衰減器，五個基本移相位分別為0.5 dB、1 dB、2 dB、4 dB和8 dB，通過控制五組開關管的柵極電壓實現步進0.5 dB的32種調幅狀態。
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作者信息：
張斌，秦戰明，吳舒桐，張禮懌，楊俊浩，蔣穎丹
（中國電子科技集團第五十八研究所， 江蘇 無錫 214035）
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