专利名称：超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减器的制作方法
技术领域：
本发明涉及相控阵雷达领域，特别是一种超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减器。
背景技术：
基于GaAs的超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减器是一种主要用于数字微波通信、移动通信、雷达、电子对抗、制导和仪器等电子系统设备中的电子部件。在超宽带微波毫米波频段的控制电路中，微波毫米波衰减器是主要控制电路之一，可变衰减器被应用于1)自动损失控制(ALC)组件的宽频增益控制块；2)宽频带脉冲调制器；3)宽频带无反射单刀单掷(SPST)开关；4)宽频矢量调制器；5)宽频自动增益控制(AGC)放大器。MMIC (单片微波集成电路)电压控制可变衰减器拥有小型化，轻量级，高出产量，低成本等特点，并且简单易用，功率耗散低。鉴于上述应用，可变衰减器应具有大的动态范围和低的插入相移，这引起了社会的广泛关注，这种衰减器在工作频率范围内具有很好的相位平坦度。数字衰减器线性度好，功率容量大，衰减控制电路简单精确。目前衰减器的研究主要集中在模拟衰减器和数字衰减器，然而，近年来兼容模拟和数字兼容式衰减器受到越来越多的关注。描述可变衰减器产品性能的主要技术指标有1)工作频率带宽；2)衰减位数；3)总衰减量；4)衰减精度；5)衰减步进；6)最小插入损耗；7)各衰减态相移；8)各衰减态输入和输出端电压驻波比；9)各态转换速度；10)电路尺寸；11)承受功率；12)各电路之间电性能的一致性等。由于设计采用的电路拓扑和工艺实现途径的缺陷，尤其对频带宽、衰减量大的应用需求时，一般衰减器通常电性能指标难以满足要求。主要缺点有1)电路拓扑结构复杂；2)设计难度大；3)工艺加工难度大；4)衰减精度低；5)工作频带窄；6)各衰减态之间的相位差大，即信号幅度变化时，伴随的信号相位变化大；7)各衰减态的输入和输出端电压驻波比差别大；8)受工艺控制参数影响，电路间电性能一致性较差；9)电路尺寸较大。尤其各衰减态之间的相位差大是诸多同类产品中的共同缺点，这限制了该类产品在相控阵雷达系统和许多先进的通信系统及武器系统中的广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可控衰减变化，并且拥有大动态范围，电路拓扑结构简单、设计简便、工艺难度小、各衰减态插入损耗小、相移小、衰减精度高、输入和输出端电压驻波比小、工作频带宽、电路尺寸小、控制简单、使用方便，兼容模式和数字式、便于采用现在的微波单片集成电路工艺技术进行大批量生产的超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减器。实现本发明目的的技术解决方案是一种超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减器，如图I所示，它是由连通控制电路，分流控制电路和超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减网络电路三部分结构组成。如图I所示，整个电路结构包括连通和分流转换场效应晶体管，金属薄膜电阻，植入离子电阻，和微带传输线。为了达到很好的微波性能，使芯片小型化，需要很好地考虑场效应晶体管的转换结构，加工条件，电路布局以及结构排版。为了实现衰减器的低插入相移，输入输出端的低回波损耗，在设计中连通通道和分流通道的场效应晶体管采用拥有相同的栅宽的晶体管结构。连通通道和分流通道有相同的信号控制负载，不需要直流相关电路，所以电路结构得到了简化。连通衰减和分流衰减的控制电压是通过串并联电阻分压来提供的。本发明与现有技术相比，其显著优点是I、电路拓扑简单，衰减量是可以通过数字和模拟电压进行控制改变的；2、设计简单，由于电路拓扑简单，因而不仅设计比同类产品简单的多，而且产品的综合电性能指标比同类产品更优；3、由于电路拓扑简单使得电路结构简单、紧凑，制 造中工艺难度远比同类产品要求低；4、电性能改善大，该衰减器各衰减态插入损耗小，相移小，衰减精度高，输入和输出端电压驻波比小，工作频带宽；5、电路尺寸小；
6、控制简单，使用方便；7、可采用集成电路工艺大批量生产。
图I是本发明的超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减器电路拓扑结构示意图和框图。图2是本发明的五位控制电压超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减器电路拓扑结构示意图。图3是本发明的总体结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细描述。结合图1，它由一个单元电路构成，该单元电路由超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减网络电路和数字/模拟控制转换电路连接组成，该超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减网络电路包括信号输入端RFIN、信号输出端RFOUT和一个连通、分流衰减网络组成，该信号输入端和信号输出端分别构成了单元电路的信号输入端和信号输出端。所
述的数字/模拟转换连通控制电路由控制信号输入端V1、V11、V12........Vln-UVln，分
压电阻 R10、R11、R12、......、Rln-l、Rln，分压控制场效应晶体管 F11、F12、......、Fln_l、
Fln和偏置电阻R31、R32、.......R3n_l、R3n构成，其中第零分压电阻RlO和第一分压电
阻Rll的公共连接点A构成数字/模拟控制转换电路的控制信号输出端，所述的分压电阻
R11、R12、......、Rln-URln分别连接控制场效应晶体管Fll、F12、.......Fln-1、Fln的
源极后整体并联再与第零分压电阻RlO串联构成电调可控的分压网络，该数字/模拟控制转换电路的控制信号输出端与所述的超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减网络电路的控制信号输入端连接。如图I所示，引起衰减的连通场效应晶体管Fl，F2是由分压电
阻 RIO、Rll、R12、.......Rln-I、Rln 和场效应晶体管 Fll、F12、.......Fln-1、Fln 联合
控制。分流场效应晶体管F21、F22........F2n-l、F2n引起的衰减是由分压电阻R5、R41、
R42、......、R4n-l、R4n和场效应晶体管F41、F42、......、F4n_l、F4n联合控制。当控制
电压 Vl 是导通电压，而 V11、V12、.......Vln-l、Vln，V2、V41、V42、......、V4n_l、V4n
是夹断电压时，衰减器处于最小衰减状态，或者说处于“ON”参考状态。当控制电压VI、V2为导通电压，而V11、V12、.......Vln-l、Vln，V2、V41、V42、.......V4n_l、V4n 处于夹断
电压，此时衰减器处于最大衰减状态，或者说处于“OFF”状态。当V1、V2控制电压处于夹断
电压时，其他的控制信号输入端VII、V12、.......Vln-l、Vln，V41、V42、......、V4n_l、
V4n分别或组合加导通电压时则为不同的数字衰减态。综上所述，本发明超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减的工作过程如下微波输入信号从信号输入端RFIN输入，当控制信号输入端VI、V2控制信号从零伏电压向场效应晶体管的夹断电压连续变化时，或从场效应晶体管的夹断电压向零伏电压连续
变化，此时各数字衰减位的其他控制信号输入端VII、V12........Vln-U Vln，V41、
V42........V4n-1、V4n的控制信号均为夹断电压，这种状态下对应的场效应晶体管的衰减
量发生连续变化，这种状态对应模拟衰减态。数字衰减态时，当Vl、V2控制电压处于夹断电
压，控制信号输入端 VII、V12、.......Vln-l、Vln，V41、V42、.......V4n_l、V4n 控制信
号均接场效应晶体管夹断电压时设为参考态，数字衰减控制时VI、V2接场效应晶体管夹断
电压，V11、V12、.......Vln-l、Vln，V41、V42、......、V4n_l、V4n 分别或组合加导通电
压或者夹断电压时，对应不同的衰减量控制电压，则相应的对应于不同的数字衰减态，这样便可方便的实现超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减器。实施例图2显示了一个五位控制电压超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减器集成电路。如图2所示，所述五位控制电压超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减器集成电路由微波信号输入端RFIN ;微波信号输出端RFOUT ;控制信号输入端V1、V11、V12、V13、V14.V15、V2、V41、V42、V43、V44、V45;分压电阻 RIO、Rll、R12、R13、R14、R15、R5、R41、R42、R43、R44、R45 ;分压控制场效应晶体管 Fll、F12、F13、F14、F15、F41、F42、F43、F44、F45 ;衰减场效应晶体管 F1、F2、F21、F22、F23、F24 ;偏置电阻 R3、R4、R21、R22、R23、R24、R31、R32、R33、R34、R35、R51、R52、R53、R54、R55 和连通衰减电阻 RU R2 构成。如图2所示，所述单元电路的超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减器电路中，总控电压Vl接电阻RlO的一端，电阻RlO的另一端接控制信号输入端A，控制信号输入端 A 即电阻 Rll、R12、R13、R14、R15 的公共一端，电阻 Rll、R12、R13、R14、R15 的另一端分别接场效应管Fll、F12、F13、F14、F15的源极，场效应晶体管Fll、F12、F13、F14、F15的栅极分别接偏置电阻R31、R32、R33、R34、R35的一端，偏置电阻R31、R32、R33、R34、R35的另一端分别接电压控制端V11、V12、V13、V14、V15，场效应管Fll、F12、F13、F14、F15的漏极分别接地。信号输入端口 RFIN连接微带线TLl的一端，微带线TLl的另一端接场效应晶体管Fl的源极和电阻Rl的一端，电阻Rl的另一端接场效应晶体管Fl的漏极和微带线TL2的一端，微带线TL2的另一端接场效应晶体管F21的漏极和微带线TL3的一端，微带线TL3的另一端接场效应晶体管F22的漏极和微带线TL4的一端，微带线TL4的另一端接场效应晶体管F23的漏极和微带线TL5的一端，微带线TL5的另一端接场效应晶体管F24的漏极和微带线TL6的一端，微带线TL6的另一端接场效应晶体管F2的源极和电阻R2的一端，场效应晶体管F2的漏极和电阻R2的另一端接微带线TL7的一端，微带线TL7的另一端接信号输出端口 RF0UT。场效应管F21、F22、F23、F24的栅极分别接偏置电阻R21、R22、R23、R24、偏置电阻R21、R22、R23、R24的另一端接控制信号输入端B，场效应晶体管F21、F22、F23、F24的漏极分别接地，场效应晶体管Fl、F2的栅极分别接偏置电阻R3、R4，偏置电阻R3、R4的公共端接控制信号输入端A。总控电压V2接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接控制信号输入端B，控制信号输入端B即电阻R41、R42、R43、R44、R45的公共一端，电阻R41、R42、R43、R44、R45的另一端分别接场效应管F41、F42、F43、F44、F45的源极，场效应晶体管F41、F42、F43、F44、F45的栅极分别接偏置电阻R51、R52、R53、R54、R55的一端，偏置电阻1 51、1 52、1 53、1 54、1 55的另一端分别接电压控制端￥41、V42、V43、V44、V45,场效应管F41、F42、F43、F44、F45的漏极分别接地。如图2所示，引起衰减的连通金属半导体场效应管F1、F2是由电阻RIO、R11、R12、R13、R14、R15和金属半导体场效应管Fll、F12、F13、F14、F15联合控制。分流金属半导体场效应管F21、F22、F23、F24引起的衰减是由电阻R5、R41、R42、R43、R44、R45和金属半导体场效应管F41、F42、F43、F44、F45联合控制。在本实施例中，金属半导体场效应管的夹断电压为-5V，当控制电压￥1、￥11、￥12、￥13、￥14和￥15是O V，V2、V21、V22、V23、V24、V25是-5 V时，衰减器处于最小衰减，或者说处于“0N”状态。当控制电压V1、V11、V12、V13、V14 和 V15 为-5 V, V2、V21、V22、V23、V24、V25 处于 0V，此时衰减 器处于最大衰减状态，或者说处于“OFF”状态。参考图2，当VI、V2，V12、V13、V14、V15、V22、V23、V24、V25 是-5 V，并且 VII、V22 是 O V，F12、F13、F14、F15、F42、F43、F44、F45处于高电阻态，Fll、F21处于低电阻态，RIO、Rll形成了适当的电压分配网络，同样的，也可以看到R5和R41形成了一个很好的电压分配网络。在A点的一个合适的电压控制连通转换金属半导体场效应管(Fl、F2)，在B点有另一个合适的电压控制分流转换金属半导体场效应管(F21、F22、F23、F24)，同时实现2dB分辨率的衰减精度。微波输入信号从信号输入端RFIN输入，当控制信号输入端VI、V2控制信号从OV电压向场效应晶体管的夹断电压-5V连续变化时，或从场效应晶体管的夹断电压-5V向OV电压连续变化，此时各数字衰减位的其他控制信号输入端VII、V12、V13、V14、V15、V41、V42、V43、V44、V45的控制信号均为夹断电压，这种状态下对应的场效应晶体管的衰减量发生连续变化，这种状态对应模拟衰减态。数字衰减态时，当VI、V2控制电压处于夹断电压，控制信号输入端V11、V12、V13、V14、V15、V41、V42、V43、V44、V45控制信号均接场效应晶体管夹断电压-5V时设为参考态，数字衰减控制时VI、V2接场效应晶体管夹断电压-5V，V11、V12、V13、V14、V15、V41、V42、V43、V44、V45 分别或组合加导通电压 OV 或者夹断电压-5V时，对应不同的衰减量控制电压，则相应的对应于不同的数字衰减态，这样便可方便的实现超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减器。
权利要求
1.一种超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减器，其特征在于是由连通控制电路，分流控制电路和衰减网络电路三部分结构组成，连通衰减和分流衰减的控制电压是通过串并联电阻分压来提供的。
2.根据权利要求I所述的超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减器，其特征在于提供一种可以控制改变衰减电路衰减量值的拓扑结构，动态范围大、相对相移小、衰减精度高、端口电压驻波比小、工作带宽大、插入损耗低、是一种成品率高、控制简单、使用方便、兼容模拟式和数字式、便于采用微波单片集成电路工艺技术大批量生产的可变衰减器集成电路。
3.根据权利要求I和权利要求2所述的超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减器，其特征在于它由一个单元电路构成，该单元电路由超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减网络电路和数字/模拟控制转换电路连接组成，该超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减网络电路包括信号输入端(RFIN)、信号输出端(RFOUT)和一个连通、分流衰减网络组成；所述的数字/模拟转换连通控制电路由控制信号输入端(VI、VII、V12、.......Vln-UVln),分压电阻(RIO、Rll、R12、.......Rln-URln),分压控制场效应晶体管(FlI、F12、.......Fln-I、Fln)和偏置电阻(R31、R32、.......R3n_l、R3n)构成，其中第零分压电阻(RlO)和第一分压电阻(Rll)的公共连接点(A)构成数字/模拟转换连通控制电路的控制电压信号输出端，所述的分压电阻(Rll、R12........Rln-U Rln)分别连接控制场效应晶体管(FlI、F12........Fln-I、Fln)的源极后整体并联再与第零分压电阻(RlO)串联构成电调可控的分压网络，该数字/模拟控制转换电路的控制信号输出端与所述的超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减网络电路的控制信号输入端连接；所述单元电路的超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减器电路中，总控电压(Vl)接电阻(RlO)的一端，电阻(RlO)的另一端接控制信号输入端(A)，控制信号输入端(A)即电阻(R11、R12、.......Rln-URln)的公共一端，电阻(R11、R12、......、Rln_l、Rln)的另一端分别接场效应管(Fll、F12........Fln-I、Fln)的源极，场效应晶体管(Fll、F12........Fln-UFln)的栅极分别接偏置电阻(R31、R32、......、R3n_l、R3n)的一端，偏置电阻(R31、R32、......、R3n-l、R3n)的另一端分别接电压控制端(VII、V12、.......Vln_l、Vln)，场效应管(F11、F12、.......Fln-I、Fln)的漏极分别接地。
4.根据权利要求I和权利要求2所述的超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减器，其特征在于它由一个单元电路构成，该单元电路由超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减网络电路和数字/模拟控制转换电路连接组成，该超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减网络电路包括信号输入端(RFIN)、信号输出端(RFOUT)和一个连通及分流衰减网络组成，该信号输入端和信号输出端分别构成了单元电路的信号输入端和信号输出端；所述的超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减网络电路由信号输入端(RFIN)Jf号输出端(RFOUT)，连接微带线(TLl、TL2........TLn-I、TLn)，衰减电阻(Rl、R2 )，分流控制场效应晶体管(F21、F22、.......F2n-1、F2n)，连通控制场效应晶体管(FI、F2)和偏置电阻(R21、R22、.......R2n-1、R2n、R3、R4)构成，信号输入端口 (RFIN)连接微带线(TLl)的一端，微带线(TLl)的另一端接场效应晶体管(Fl)的源极和电阻(Rl)的一端，电阻(Rl)的另一端接场效应晶体管(Fl)的漏极和微带线(TL2)的一端，微带线(TL2)的另一端接场效应晶体管(F21)的漏极和微带线(TL3)的一端，微带线(TL3)的另一端接场效应晶体管(F23)的漏极和微带线(TL4)的一端，以此类推，微带线(TLn-2)的另一端接场效应晶体管(F2n)的漏极和微带线(TLn-I)的一端，微带线(TLn-I)的另一端接场效应晶体管(F2)的源极和电阻(R2)的一端，场效应晶体管(F2)的漏极和电阻(R2)的另一端接微带线(TLn)的一端，微带线(TLn)的另一端接信号输出端口(RFOUT);场效应管(F21、F22、......、F2n_l、F2n)的栅极分别接偏置电阻(R21、R22、......、R2n_l、R2n),偏置电阻(R21、R22、.......R2n_l、R2n)的另一端接控制信号输入端(B),场效应晶体管(F21、F22........F2n_l、F2n)的漏极分别接地，场效应晶体管(Fl、F2)的栅极分别接偏置电阻(R3、R4)，偏置电阻(R3、R4)的公共端接控制信号输入端(A)。
5.根据权利要求I和权利要求2所述的超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减器，其特征在于它由一个单元电路构成，该单元电路由超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减网络电路和数字/模拟控制转换电路连接组成，该超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减网络电路包括信号输入端(RFIN)、信号输出端(RFOUT)和一个连通分流衰减网络组成，该信号输入端和信号输出端分别构成了单元电路的信号输入端和信号输出端；所述的数字/模拟转换分流控制电路由控制信号输入端(V2、V41、V42........V4n-1、V4n)，分压电阻(R5、R41、R42、.......R4n_l、R4n)，分压控制场效应晶体管(F41、F42、.......F4n-1、F4n)和偏置电阻(R51、R52、.......R5n_l、R5n)构成，其中第零分压电阻(R5)和第一分压电阻(R41)的公共连接点(B)构成数字/模拟转换分流控制电路的控制信号输出端，所述的分压电阻(R41、R42........R4n-1、R4n)分别连接控制场效应晶体管(F41、F42........F4n-1、F4n)的源极后整体串并联再与第零分压电阻(R5)串联构成电调可控的分压网络，该数字/模拟控制转换电路的控制信号输出端与所述的超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减网络电路的控制信号输入端相连接；所述单元电路的超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减器电路中，总控电压(V2)接电阻(R5)的一端，电阻(R5)的另一端接控制信号输入端(B)，控制信号输入端(B)即电阻(R41、R42、.......R4n-1、R4n)的公共一端，电阻(R41、R42、.......R4n_l、R4n)的另一端分别接场效应管(F41、F42、.......F4n-1、F4n)的源极，场效应晶体管(F41、F42、.......F4n_l、F4n)的栅极分别接偏置电阻(R51、R52、......、R5n-l、R5n)的一端，偏置电阻(R51、R52、...... R5n-1、R5n)的另一端分别接电压控制端(V41、V42、.......V4n_l、V4n)，场效应管(F41、F42........F4n-l、F4n)的漏极分别接地。
全文摘要
本发明公开了一种超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减器。它由连通控制电路，分流控制电路和衰减网络电路三部分结构组成，衰减网络中的连通衰减和分流衰减的控制电压是通过串并联电阻分压来提供的。本电路拓扑结构简单、衰减相移小、插入损耗低、衰减精度高、输入和输出端电压驻波比小、工作频带宽、电路尺寸小、便于采用MMIC工艺批量生产。本发明紧密结合微波单片集成电路工艺线提供的有关参数进行设计，超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减器是现代相控阵雷达系统收发组件的核心组成部分，可见本发明的重要性。
文档编号H03H7/24GK102624350SQ201210078098
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月22日 优先权日2012年3月22日
发明者冯媛, 吴建星, 吴迎春, 周聪, 孙宏途, 尹洪浩, 左同生, 张红, 徐利, 戚湧, 戴永胜, 於秋杉, 施淑媛, 李平, 李旭, 杨健, 汉敏, 王立杰, 范小龙, 谢秋月, 郭风英, 陈少波, 陈建锋, 陈曦, 韦晨君, 韩群飞 申请人:南京理工大学常熟研究院有限公司