专利名称：程控可变五位互易微波单片集成衰减器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微波单片集成电路，尤其是一种程控可变五位互易微波单片集成衰减器。
背景技术：
数字衰减器是微波通讯系统中常用元器件。数字衰减器通常由不同衰减量的单位衰减网络级联而成，通过不同单位的组合实现多种衰减量，从而实现对信号的控制处理。传统的衰减器采用PIN或是GaAs MESFET作为核心开关控制器件，其思路都是通过控制衰减网络来实现单位衰减，然后级联形成需要的多位衰减器，通过开关通道的开与关实现信号的衰减和不衰减。并且传统的衰减器对应的控制码为标准的二进制编码，这种衰减器的不足之处为(1)不衰减时，由于多位自然插入损耗由多位叠加，造成信号的损失；(2)不同单位之间存在失配，难以实现线性叠加，导致衰减精度不高；(3)采用大尺寸管芯开关，对工艺的加工精度要求较高，导致实际成品率不高；(4) 一旦某位发生偏移，则整个与该位相关的状态均发生偏移，存在遗传性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种精度高、成品率高的程控可变五位互易微波单片集成衰减器。为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是
一种程控可变五位互易微波单片集成衰减器，其特征在于由输入端口驻波调节模块、 微波衰减模块、输出端口驻波调节模块和控制模块组成；所述输入端口驻波调节模块与输出端口驻波调节模块完全对称；
所述输入端口驻波调节模块由第一至第四级输入端口驻波调节电路级联组成；所述第一至第四级输入端口驻波调节电路级结构相同，其中第一级输入端口驻波调节电路由第一驻波调节电路单元和第一控制开关串联而成；
所述微波衰减模块由第一至第四级微波衰减电路、第五级微波衰减电路和微波幅度平衡电路并联组成；所述第一至第四级微波衰减电路结构相同，其中第一级微波衰减电路由第一固定衰减单元和第一微波单刀单掷开关串联组成；
所述输出端口驻波调节模块由第一至第四级输出端口驻波调节电路级联组成；所述第一至第四级输出端口驻波调节电路结构相同，其中第一级输出端口驻波调节电路由第五驻波调节电路单元和第五控制开关串联而成；
所述控制模块的控制输出端分别与第一至第八控制开关、第一至第五微波单刀单掷开关相连。所述的程控可变五位互易微波单片集成衰减器，其特征在于所述第一级输入端口驻波调节电路单元由场效应管T6、电阻R6和电阻R61组成；所述第二级输入端口驻波调节电路单元由场效应管T7、电阻R7和电阻R71组成；所述第三级输入端口驻波调节电路单元由场效应管T8、电阻R8和电阻R81组成；所述第四级输入端口驻波调节电路单元由场效应管T9、电阻R9和电阻R91组成；所述场效应管T6、T7、T8和T9的漏极并联后与信号输入端口 PORTl连接，其源极分别经电阻R6、R7、R8和R9接地，栅极分别经电阻R61、R71、R81 和R91接控制模块的VI、V2、V3和V4端口；
所述微波幅度平衡电路27由电阻RO及所连接导线组成，一端连接输入端口 P0RT1，另一端连接输出端口 P0RT2 ；所述第一级微波衰减电路由场效应管T5、电阻R5和电阻R51组成；所述第二级微波衰减电路由场效应管T4、电阻R4和电阻R4组成；所述第三级微波衰减电路由场效应管T3、电阻R3和电阻R3组成；所述第四级微波衰减电路由场效应管T2、电阻R2和电阻R21组成；所述第五级微波衰减电路由场效应管Tl、电阻Rl和电阻Rll组成； 所述场效应管T1、T2、T3、T4、T5的漏极并联后连接输入端口 P0RT1，其源极分别经电阻R1、 R2、R3、R4和R5接输出端口 P0RT2，栅极分别经电阻Rll、R21、R31、R41和R51接控制模块的 V5、V6、V7、V8 和 V9 端口 ；
所述第一级输出端口驻波调节电路由场效应管TlO电阻RlO和电阻RlOl组成；所述第二级输出端口驻波调节电路由场效应管Tll电阻Rll和电阻Rlll组成；所述第三级输出端口驻波调节电路由场效应管T12电阻R12和电阻R121组成；所述第四级输出端口驻波调节电路由场效应管T13电阻R13和电阻R131组成；所述场效应管T10、TlU T12和T13的漏极并联后连接输出端口 P0RT2，其源极分别经电阻RIO、RlU R12和R13接地，栅极分别经电阻RlOl、Rlll、R121和R131接控制模块的V4、V3、V2和Vl端口。所述的程控可变五位互易微波单片集成衰减器，其特征在于第一至第五微波单刀单掷开关(10、12、14、16、18)、第一至第八控制开关控制开关(2、4、6、8、20、22、24、洸)采用砷化镓场效应晶体管实现。所述的程控可变五位互易微波单片集成衰减器，其特征在于端口均归一化至50 欧姆。所述的程控可变五位互易微波单片集成衰减器，其特征在于所述第一至第五固定衰减单元的固定衰减量比值为1: 2: 4: 8:16。所述的程控可变五位互易微波单片集成衰减器，其特征在于所述电路集成在单片晶圆上。所述的程控可变五位互易微波单片集成衰减器，其特征在于所述控制模块的控制编码与衰减量的关系如附表所示，其中Al为最小衰减量，控制开关2，4，6、8，微波单刀单掷开关10、12、14、16、18，控制开关20,22,24,26对应的控制端分别为V1、V2、V3、V4、V5、V6、 V7、V8、V9、V4、V3、V2、V1。采用上述技术方案所产生的有益效果在于
1、当不对微波信号衰减时，所有控制开关均关闭、所有微波单刀单掷开关均开启。由于所有衰减网络并联，所以对微波信号的损耗非常的小；
2、所有的控制开关、所有微波单刀单掷开关均采用非常小的砷化镓场效应晶体管实现，开关性能非常好；
3、芯片面积的缩小可以大大提高晶圆利用率；
4、由于采用小的砷化镓场效应晶体管，所以衰减器的工作带宽可以非常宽；所有衰减电路与微波幅度平衡电路并联可以实现整个工作频带内有非常均衡平坦的衰减量；5、可以采用编码方式实现自动控制衰减量，编码没有规律，不是单纯的二进制码，某一位对状态的贡献很小，一旦某一位发生偏移，不会对结果造成多大的影响；
6、端口均归一化至50欧姆，可以级联使用，以实现更大的衰减量；
7、新结构的引入降低了工艺的敏感度，使芯片成品率从60%提高到80%。
图1是本发明的结构示意图； 图2是实施例的电路图。
具体实施例方式1、一种程控可变五位互易微波单片集成衰减器，其特征在于由输入端口驻波调节模块、微波衰减模块、输出端口驻波调节模块和控制模块27组成；所述输入端口驻波调节模块与输出端口驻波调节模块完全对称；
所述输入端口驻波调节模块由第一至第四级输入端口驻波调节电路级联组成；所述第一至第四级输入端口驻波调节电路级结构相同，其中第一级输入端口驻波调节电路由第一驻波调节电路单元1和第一控制开关2串联而成；
所述微波衰减模块由第一至第四级微波衰减电路、第五级微波衰减电路和微波幅度平衡电路观并联组成；所述第一至第四级微波衰减电路结构相同，其中第一级微波衰减电路由第一固定衰减单元9和第一微波单刀单掷开关10串联组成；
所述输出端口驻波调节模块由第一至第四级输出端口驻波调节电路级联组成；所述第一至第四级输出端口驻波调节电路结构相同，其中第一级输出端口驻波调节电路由第五驻波调节电路单元19和第五控制开关20串联而成；
所述控制模块27的控制输出端分别与第一至第八控制开关2、4、6、8、20、22、对、26、第一至第五微波单刀单掷开关10、12、14、16、18相连。所述的程控可变五位互易微波单片集成衰减器，其特征在于所述第一级输入端口驻波调节电路单元由场效应管T6、电阻R6和电阻R61组成；所述第二级输入端口驻波调节电路单元由场效应管T7、电阻R7和电阻R71组成；所述第三级输入端口驻波调节电路单元由场效应管T8、电阻R8和电阻R81组成；所述第四级输入端口驻波调节电路单元由场效应管T9、电阻R9和电阻R91组成；所述场效应管T6、T7、T8和T9的漏极并联后与信号输入端口 PORTl连接，其源极分别经电阻R6、R7、R8和R9接地，栅极分别经电阻R61、R71、R81 和R91接控制模块的VI、V2、V3和V4端口；
所述微波幅度平衡电路27由电阻RO及所连接导线组成，一端连接输入端口 P0RT1，另一端连接输出端口 P0RT2 ；所述第一级微波衰减电路由场效应管T5、电阻R5和电阻R51组成；所述第二级微波衰减电路由场效应管T4、电阻R4和电阻R4组成；所述第三级微波衰减电路由场效应管T3、电阻R3和电阻R3组成；所述第四级微波衰减电路由场效应管T2、电阻R2和电阻R21组成；所述第五级微波衰减电路由场效应管Tl、电阻Rl和电阻Rll组成； 所述场效应管T1、T2、T3、T4、T5的漏极并联后连接输入端口 P0RT1，其源极分别经电阻R1、 R2、R3、R4和R5接输出端口 P0RT2，栅极分别经电阻Rll、R21、R31、R41和R51接控制模块的 V5、V6、V7、V8 和 V9 端口 ；所述第一级输出端口驻波调节电路由场效应管TlO电阻RlO和电阻RlOl组成；所述第二级输出端口驻波调节电路由场效应管Tll电阻Rll和电阻Rlll组成；所述第三级输出端口驻波调节电路由场效应管T12电阻R12和电阻R121组成；所述第四级输出端口驻波调节电路由场效应管T13电阻R13和电阻R131组成；所述场效应管T10、TlU T12和T13的漏极并联后连接输出端口 P0RT2，其源极分别经电阻RIO、RlU R12和R13接地，栅极分别经电阻RlOl、Rlll、R121和R131接控制模块的V4、V3、V2和Vl端口。所述的程控可变五位互易微波单片集成衰减器，其特征在于第一至第五微波单刀单掷开关10、12、14、16、18、第一至第八控制开关控制开关2、4、6、8、20、22、24、沈采用砷化镓场效应晶体管实现。所述的程控可变五位互易微波单片集成衰减器，其特征在于端口均归一化至50 欧姆。所述的程控可变五位互易微波单片集成衰减器，其特征在于所述第一至第五固定衰减单元9、11、13、15、17的固定衰减量比值为1: 2: 4: 8:16。所述的程控可变五位微波单片集成衰减器，其特征在于所述电路集成在单片晶圆上。微波信号依次经过输入端口驻波调节模块的四级驻波调节电路，进行输入端口驻波调节；然分成六路微波信号分别进微波衰减模块的五级微波衰减电路和微波幅度平衡电路，实现信号的衰减；最后汇总进入输出端口驻波调节模块，依次经过输出端口驻波调节模块中的四级驻波调节电路，进行输出端口驻波调节后输出。Rll R131通常取为2000欧姆 3000欧姆。假定入射功率是pi (单位瓦)，分成六路，分别进入五级微波衰减电路 9，11，13，15，17和微波幅度平衡电路28。假定所占比例是al, a2, a3, a4, a5, a6那么 al*pl，a2*pl, a3*pl, a4*pl，a5*pl, a6*pl分别为即将通过五级微波衰减电路和微波幅度平衡电路的信号功率。实际电路中，由于衰减电路固有的衰减属性，导致其不可能全部通过，假定其通过率分别为bl，b2, b3, b4, b5, b6那么如果五路均未形成信号反射，那么通过的信号功率理想状态下为
al*bl*pl, a2*b2*pl, a3*b3*pl, a4*b4*pl, a5*b5*pl, 氺b6氺pi。最终输出后汇总得到的功率为信号由于各路固有衰减特性造成的信号损耗为
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)。这也就是微波衰减模块所造成的衰减器的固有插入损耗。那么这部分损耗通常远低于传统的衰减器的插入损耗。当微波单刀单掷开关断开时，微波信号通过衰减电路后被微波单刀单掷开关反射，反射波被输入端口调节模块电路吸收而不进入行输出端口驻波调节模块；当微波单刀单掷开关闭合时，微波信号通过衰减电路单元，虽然信号被衰减，但衰减量不大。当所有微波单刀单掷开关短路时，实现对信号的最小衰减；当所有微波单刀单掷开关断开时实现对信号的最大衰减。
当所有支路的信号全部反射时，即最大衰减时，通过率bl=b2=b3=b4=b5=0，所以信号损耗为全部功率pl_a6*l36*pl。控制模块通过控制控制开关的开断来实现端口驻波调节电路对不同衰减状态下的反射波的吸收。通过编码的组合控制微波衰减网络和端口驻波调节电路，可以实现相应的衰减量要求以及良好的端口电压驻波比。如果要求的四位衰减器的衰减量分别是A1，A2，A3，A4，A5,那么有 A5=2*A4=4*A3=8*A2=16*A1，并且
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)，
当 Al=O. 5 时，可以推得 al=0. 16，a2=0. 10，a3=0. 26，a4=0. 29，a5=0. 24，a6 ^ 0，也就是说五路衰减支路在开通时的电阻之比分别为16:10:26J9:24.在实际情况中，控制开关和微波单刀单掷开关均为非理想开关，在开通状态下，存在寄生阻抗Mn，关断状态下存在寄生阻假定五路的开通或关断阻抗分别为hnl，Zoffl, Zon2, Zoff2, Zon3, Zoff3, Zon4, Zoff4, Zon5, Zoff5统一用Zl Z5表示，微波幅度平衡模块的阻抗为 Zp=RO,输入端口驻波调节模块、输出端口驻波调节模块的阻抗分别为Z6 Z9 (根据是否开通定义阻抗分别为Zoff6, Zon7, Zoff7, Zon8, Zoff8,Zon9, hff9根据是否对称而是否将阻抗扩充为 ZlO Z13)。有(Zonl+Rl) (Zon2+R2) (Zon3+R3) (Zon4+R4) (Zon5+R5) =16:10:26:29:24,那么再联立如下的计算公式来确定各元件值
插损态时，即衰减量为 0 时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 ； 任意衰减态时
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，而只需按照编码要求将 Zl Z9、代为相应的Zon或Zoff即可。衰减量的计算公式是At=A2_Al。同时由于电压驻波比要求，还必须满足以下公式
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) 根据五位衰减器共32个状态的衰减量，以及共32个状态的驻波状态，可以得到64个方程，加之前面的五个衰减模块之间的对应比例关系(可以消掉4个变量)，完全可以确定四个控制开关(8 个变量Zoff6, Zon7, Zoff7, Zon8, Zoff8, Zon9, hff9)，五个衰减单元(5个变量R1，R2，R3，R4，R5)，五个微波单刀单掷开关(10个变量Zonl，Zoffl, Zon2, Zoff2, Zon3, Zoff3, Zon4, Zoff4, Zon5, hff5)，一个微波幅度平衡电路(1 个变量:R0)，四个驻波调节电路单元(4个变量R6，R7，R8，R9)，共(28-4=24)个变量。所述的程控可变五位互易微波单片集成衰减器，其特征在于控制模块KZQ的控制编码与衰减量的关系如附表所示，其中最小衰减量Al为ldB， 控制开关2，4，6、8，微波单刀单掷开关10、12、14、16、18，控制开关20、22、24、 26 对应的控制端分另Ij 为 VI、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8、V9、V4、V3、V2、VI。
权利要求
1.一种程控可变五位互易微波单片集成衰减器，其特征在于由输入端口驻波调节模块、微波衰减模块、输出端口驻波调节模块和控制模块(27)组成；所述输入端口驻波调节模块与输出端口驻波调节模块完全对称；所述输入端口驻波调节模块由第一至第四级输入端口驻波调节电路级联组成；所述第一至第四级输入端口驻波调节电路级结构相同，其中第一级输入端口驻波调节电路由第一驻波调节电路单元(1)和第一控制开关(2)串联而成；所述微波衰减模块由第一至第五级微波衰减电路和微波幅度平衡电路(28)并联组成； 所述第一至第五级微波衰减电路结构相同，其中第一级微波衰减电路由第一固定衰减单元 (9)和第一微波单刀单掷开关(10)串联组成；所述输出端口驻波调节模块由第一至第四级输出端口驻波调节电路级联组成；所述第一至第四级输出端口驻波调节电路结构相同，其中第一级输出端口驻波调节电路由第五驻波调节电路单元(19 )和第五控制开关(20 )串联而成；所述控制模块(27)的控制输出端分别与第一至第八控制开关(2、4、6、8、20、22、24、 洸)、第一至第五微波单刀单掷开关(10、12、14、16、18)相连。
2.根据权利要求1所述的程控可变五位互易微波单片集成衰减器，其特征在于所述第一级输入端口驻波调节电路单元由场效应管T6、电阻R6和电阻R61组成；所述第二级输入端口驻波调节电路单元由场效应管T7、电阻R7和电阻R71组成；所述第三级输入端口驻波调节电路单元由场效应管T8、电阻R8和电阻R81组成；所述第四级输入端口驻波调节电路单元由场效应管T9、电阻R9和电阻R91组成；所述场效应管T6、T7、T8和T9的漏极并联后与信号输入端口 PORTl连接，其源极分别经电阻R6、R7、R8和R9接地，栅极分别经电阻 R61、R71、R81和R91接控制模块的V1、V2、V3和V4端口 ；所述微波幅度平衡电路27由电阻RO及所连接导线组成，一端连接输入端口 P0RT1，另一端连接输出端口 P0RT2 ；所述第一级微波衰减电路由场效应管T5、电阻R5和电阻R51组成；所述第二级微波衰减电路由场效应管T4、电阻R4和电阻R4组成；所述第三级微波衰减电路由场效应管T3、电阻R3和电阻R3组成；所述第四级微波衰减电路由场效应管T2、电阻R2和电阻R21组成；所述第五级微波衰减电路由场效应管Tl、电阻Rl和电阻Rll组成； 所述场效应管T1、T2、T3、T4、T5的漏极并联后连接输入端口 P0RT1，其源极分别经电阻R1、 R2、R3、R4和R5接输出端口 P0RT2，栅极分别经电阻Rll、R21、R31、R41和R51接控制模块的 V5、V6、V7、V8 和 V9 端口 ；所述第一级输出端口驻波调节电路由场效应管TlO电阻RlO和电阻RlOl组成；所述第二级输出端口驻波调节电路由场效应管Tll电阻Rll和电阻Rlll组成；所述第三级输出端口驻波调节电路由场效应管T12电阻R12和电阻R121组成；所述第四级输出端口驻波调节电路由场效应管T13电阻R13和电阻R131组成；所述场效应管T10、TlU T12和T13的漏极并联后连接输出端口 P0RT2，其源极分别经电阻RIO、RlU R12和R13接地，栅极分别经电阻RlOl、Rlll、R121和R131接控制模块的V4、V3、V2和Vl端口。
3.根据权利要求1所述的程控可变五位互易微波单片集成衰减器，其特征在于第一至第五微波单刀单掷开关(10、12、14、16、18)、第一至第八控制开关控制开关(2、4、6、8、 20、22、M、26)采用砷化镓场效应晶体管实现。
4.根据权利要求1所述的程控可变五位互易微波单片集成衰减器，其特征在于端口均归一化至50欧姆。
5.根据权利要求1所述的程控可变五位互易微波单片集成衰减器，其特征在于所述第一至第五固定衰减单元(9、11、13、15、17)的固定衰减量比值为1: 2: 4: 8:16。
6.根据权利要求1所述的程控可变五位互易微波单片集成衰减器，其特征在于所述电路集成在单片晶圆上。
全文摘要
本发明公开了一种程控可变五位互易微波单片集成衰减器，由输入端口驻波调节模块、微波衰减模块、输出端口驻波调节模块和控制模块(27)组成；所述输入端口驻波调节模块与输出端口驻波调节模块完全对称。所述程控可变五位互易微波单片集成衰减器具有如下优点所有衰减网络并联，对微波信号的损耗非常的小；所有的控制开关、所有微波单刀单掷开关均采用非常小的砷化镓场效应晶体管实现，开关性能非常好，衰减器的工作带宽非常宽；衰减电路与微波幅度平衡电路并联，整个工作频带内衰减量非常均衡平坦；衰减控制编码没有规律，某一位发生偏移，不会对结果造成多大的影响；新结构的引入降低了工艺的敏感度，使芯片成品率从60%提高到80%。
文档编号H03H11/24GK102394590SQ20111016947
公开日2012年3月28日 申请日期2011年6月22日 优先权日2011年6月22日
发明者王会智 申请人:中国电子科技集团公司第十三研究所