基于电容补偿的数控衰减器的制作方法

本实用新型涉及衰减器领域，更具体的说，它涉及基于电容补偿的数控衰减器。

背景技术：

衰减器是微波控制电路的重要组成部分，用于实现对射频信号幅度的控制。常见的数字控制衰减器是通过开关器件使得信号在参考态和衰减态两个状态间切换，从而实现预定目标的信号幅度衰减。理想情况下在参考态时衰减器等效为无损耗的直通网络，而在衰减态时等效为具有平坦幅度及相位特性的阻性网络。一般对于衰减幅度相对较小(小于2dB)的衰减器，会采用一个简单的并联衰减结构实现即一个开关与一个并联接地的衰减电阻串联结构，该结构面积小控制简单、插入损耗小、幅度平坦度较好。但是由于开关晶体管寄生电容的存在使得衰减器在不同状态下存在寄生相移从而产生寄生调相，这种情况尤其在高频工作下影响较大。

对于上述的传统小衰减值的衰减器寄生调相可以通过开关晶体管尺寸的调整进行改善，但这种方式需要晶体管开关在不同尺寸下拥有准确的模型，从而增加了设计成本，降低了设计的灵活性，且这还会牺牲衰减平坦度的性能增加损耗且寄生调相改善有限。

技术实现要素：

本实用新型克服了现有技术的不足，提供基于电容补偿的数控衰减器，降低对开关晶体管尺寸的要求，减小损耗，灵活补偿数字衰减器的寄生调相。

本实用新型的技术方案如下：

基于电容补偿的数控衰减器，包括晶体管开关、电阻、电容和匹配传输线，晶体管开关的源极与电阻的一端、电容的一端连接，电阻和电容并联，电阻的另一端接地；匹配传输线有两段，其中一段匹配传输线的一端与衰减器的输入端连接，另一段匹配传输线的一端与衰减器的输出端连接，两段匹配传输线的另一端与晶体管开关的漏极连接。

进一步的，晶体管开关包括基于三阱工艺的n型场效应的晶体管、第一电阻、第二电阻和第三电阻；第一电阻的一端与晶体管的衬底端连接，第一电阻的另一端接地；第二电阻的一端与晶体管的N阱端连接，第二电阻的另一端与电路的VCC连接；第三电阻的一端与晶体管的栅极连接，第三电阻的另一端与开关控制信号端连接。

进一步的，开关控制信号端的高电平为1.5伏，低电平为0V，VCC为1.5伏。

进一步的，两段匹配传输线的宽度和长度都相同。

本实用新型相比现有技术优点在于：本实用新型实现了一种附加相移电容补偿数字衰减器电路，降低对开关晶体管尺寸的要求，减小损耗，灵活补偿数字衰减器的寄生调相。

附图说明

图1为本实用新型的电路结构示意图；

图2为本实用新型的集成电路MMIC芯片的示意图；

图3为本实用新型的1dB衰减器的直通态与衰减态损耗仿真性能结果图；

图4为本实用新型的1dB衰减器的直通态与衰减态反射系数仿真性能结果图；

图5为本实用新型的1dB衰减器的相对衰减特性仿真结果图；

图6为本实用新型的1dB衰减器的寄生调相仿真结果图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型而不能作为对本实用新型的限制。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科技术语）具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样的定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。

如图1和图6所示，基于电容补偿的数控衰减器，包括晶体管开关FET1、电阻R1、电容Tline3和匹配传输线，晶体管开关FET1的源极与电阻R1的一端、电容Tline3的一端连接，电阻R1和电容Tline3并联，电阻R1的另一端接地，衰减值由该电阻R1提供，该电阻R1与晶体管开关FET1的串联，从而通过晶体管开关FET1通断实现衰减状态与直通态的切换。电阻R1和电容Tline3并联，由该电容Tline3来降低衰减器寄生调相。

匹配传输线有两段，两段匹配传输线的宽度和长度都相同。其中一段匹配传输线的一端与衰减器的输入端连接，另一段匹配传输线的一端与衰减器的输出端连接，两段匹配传输线的另一端与晶体管开关FET1的漏极连接。如图1中所示Tline1、Tline2为两段匹配传输线，其长度宽度相同的匹配串联微带线，Tline3是电容Tline3，其由开路微带线来起到补偿电容Tline3的作用，该电容Tline3用于补偿衰减器在衰减状态下的相移。在硅基衬底上加工，匹配传输线具体的长度和宽度将根据工作频率、介质常数、电路性能优化设计决定，同时还需要考虑各个元件在电路中的位置以及互连要求进行调整。微带线的参考平面根据布局的便利和微带线的特性阻抗需求选取。微带线金属可以通过使用不同电阻率的金属层以实现不同品质因子的开路线电容Tline3以在补偿相移的同时减小对衰减平坦度的影响。

晶体管开关FET1包括基于三阱工艺的n型场效应的晶体管、第一电阻R3、第二电阻R4和第三电阻R2。第一电阻R3的一端与晶体管的衬底端连接，第一电阻R3的另一端接地，从而实现浮栅功能，第一电阻R3的阻抗要远大于晶体管中沟道电容的阻抗，因此其尺寸需要适中。第二电阻R4的一端与晶体管的N阱端连接，第二电阻R4的另一端与电路的VCC连接，从而构成一个反向偏置的二极管增加衬底隔离能力。第三电阻R2的一端与晶体管的栅极连接，第三电阻R2的另一端与开关控制信号端连接，从而实现控制信号与射频信号的隔离，并通过开关控制信号的高低电平切换实现晶体管的导通与截止从而实现开关作用。第一电阻R3、第二电阻R4和第三电阻R2的阻抗都要远大于晶体管中沟道电容的阻抗，因此其尺寸需要适中，除此之外第一电阻R3、第二电阻R4和第三电阻R2的阻值过大会影响晶体管开关FET1作用的开关速度，根据开关速度需求折衷选取阻值。晶体管的尺寸影响寄生电容与寄生电阻，晶体管的尺寸需要大于工艺最小沟道长度一个数量级，但其开启状态下导通电阻需要小于衰减电阻一个数量级，选取合适的栅指使得晶体管的ft能较高以得到较好的器件特性。根据衰减器整体性能包括驻波、插入损耗、衰减平坦度、寄生调相优化得到晶体管的尺寸和栅指数。

衰减电阻R1选用工艺特性较为稳定的氮化钽电阻，阻值根据衰减值的大小初步确定，再根据衰减器整体性能包括驻波、插入损耗、衰减平坦度、寄生调相优化得到具体的电阻R1的尺寸。

在设计时，先按衰减位需要的衰减值计算出阻性网络阻抗的值，再分配并联电阻R1的阻值和晶体管开关FET1的导通开关的阻值，初步确定晶体管尺寸和并联电阻R1，并用实际模型代替以得到寄生的影响，进一步仿真调整晶体管尺寸和电阻R1阻值以满足需要的衰减值。随后通过电磁场仿真初步确定串联微带线的长度以减小衰减器的回波损耗。添加并联的补偿电容Tline3开路微带线以降低寄生调相。最后微调各个器件参数，进行整体电磁场仿真优化，并根据实际需要绘制版图确定各个器件摆放位置。

作为优选，开关控制信号端的高电平为1.5伏，低电平为0V，VCC为1.5伏。控制信号在高电平状态下开启衰减器衰减状态、控制信号在低电平状态下开启衰减器直通态。

本方案采用锗硅材料工艺设计了一个1dB衰减值的衰减器，但衰减器的实现不限于该工艺，以小衰减值衰减器为例，但是不仅限于小衰减值衰减器，对于其他结构的衰减器同样可以通过引入补偿电容来减小寄生调相。

具体的本方案的各元件参数如下：晶体管总栅宽为30.4um，栅指数为8，栅长为120nm，隔离用的三个大电阻（第一电阻R3、第二电阻R4和第三电阻R2）尺寸为1um*8um阻值为13.8千欧姆。衰减电阻R1为6um*30um为300欧姆。补偿开路传输线电容Tline3长度为28um ，宽度为8um。匹配传输线Tline1和Tline2长度为24um宽度为8um。开关控制信号电平为1.5伏和0伏。

按上述规格完成电路拓扑结构，根据电路原理图进行版图布局，衰减器面积大小为：160um*76um。在10GHz-40GHz内导通态插损小于0.3dB，衰减量为1dB波动小于0.05dB，寄生调相小于0.1度，反射系数小于-18dB，控制电压为0/1.5伏。根据仿真性能结果图可知本方案的电器性能稳定，大大减小损耗。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型保护范围内。