小型化Lange型数控单片集成移相器的制作方法

本实用新型涉及半导体MMIC技术领域，更具体的说，它涉及小型化Lange型数控单片集成移相器。

背景技术：

随着有源相控阵雷达的不断发展，人们对天线波速控制的需求不断提高，对控制电路的研究也更加深入。

移相器作为波束控制的关键器件，由于其工作状态及技术指标较多，占用面积大，性能能要求高，设计和制作难度大，一直是天线收发组件设计中关键的器件之一。相控阵雷达的发展对移相器的带宽，移相精度和集成面积等方面提出了更高的要求。

使用Lange耦合器的反射型移相器广泛应用于移相器设计中，但由于耦合器面积较大，宽长比相差较大，不利于集成，增加了电路设计成本。

因此研究出一种电路面积较小的、紧凑的、利于版图布置的反射型数控移相器具有重要的意义及实际应用价值。

技术实现要素：

本实用新型克服了现有技术的不足，提供小型化Lange型数控单片集成移相器，以解决在复杂相控阵电路中由于部分移相器结构造成的面积过大、版图长宽比过大导致不易集成的问题。

本实用新型的技术方案如下：

小型化Lange型数控单片集成移相器，包括Lange耦合器和反射型移相电路，Lange耦合器采用耦合线宽边耦合方式耦合，耦合线构成环形结构，反射型移相电路包括感性负载电路和容性负载电路，感性负载电路包括电感、第一晶体管和电阻，电感和第一晶体管串联，第一晶体管和电阻并联；容性负载电路包括电容和第二晶体管，电容与第二晶体管串联，且第二晶体管接地。

进一步的，耦合器包括四段耦合线，且形成四个端口，分别为输入端、耦合端、隔离端和直通端。

进一步的，四段耦合线都采用三线耦合的方式。

进一步的，三线耦合线的外侧两条信号线的同一端相连，从而形成四个端口结构，分别记为第一端口、第二端口、第三端口、第四端口，其中第一端口、第二端口位于同一侧且第一端口为三线耦合线的外侧两条信号线的连接端，第三端口、第四端口为三线耦合线的另一侧的两个端口，第三端口为外侧两条信号线另一个连接端。

进一步的，四段耦合线分别为第一段三线耦合线、第二段三线耦合线、第三段三线耦合线和第四段三线耦合线；第一段三线耦合线的第一端口与输入端相连，第一段三线耦合线的第三端口与第二段三线耦合线的第二端口相连，第一段三线耦合线的第四端口端与第二段三线耦合线的第一端口端相连，第一段三线耦合线的第二端口端与第四段三线耦合线的第三端口端连接；耦合器的隔离端与第二段三线耦合线的第三端口连接，第二段三线耦合线的第四端口与第三段三线耦合线的第二端口相连；第三段三线耦合线的第一端口与耦合端相连，第三段三线耦合线的第四端口与第四段三线耦合线的第一端口相连，第三段三线耦合线的第三端口端与第四段三线耦合线的第二端口端相连；第四段三线耦合线第三端口端与耦合器的直通端相连。

进一步的，耦合器的输入端为反射型移相电路的输入端，耦合器的隔离端为反射型移相电路的输出端。

本实用新型相比现有技术优点在于：本实用新型提供的小型化移相器相较于传统的Lange耦合器反射型移相器，所提供的耦合器本身电长度小于传统Lange型耦合器，结构简单而紧凑，面积小，且布局更加灵活，在单芯片集成应用中具有较大优势和应用空间，可以广泛应用于射频/微波/毫米波频段的无线通信系统当中。本实用新型解决了在传统中采用Lange耦合器的反射型移相器造成的面积过大从而增加了制作成本的问题。而且本实用新型还解决了在传统中采用Lange耦合器的反射型移相器造成的版图宽长比过大使得在移相器系统集成中造成版图不易布置从而浪费系统面积的问题。

附图说明

图1为本实用新型的耦合器的电路示意图；

图2为本实用新型的三线耦合线的电路示意图；

图3为本实用新型的反射型移相电路的电路示意图；

图4为目标相移为180度反射型移相电路的电路版图；

图5为目标相移为180度反射型移相电路的插损仿真性能图；

图6为目标相移为180度反射型移相电路的输入反射系数仿真性能图；

图7为目标相移为180度反射型移相电路的输出反射系数仿真性能图；

图8为目标相移为180度反射型移相电路的相移特性仿真性能图；

图9为目标相移为180度反射型移相电路的寄生调幅仿真性能图。

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9所示，小型化Lange型数控单片集成移相器，包括Lange耦合器和反射型移相电路。

Lange耦合器采用耦合线宽边耦合方式耦合，耦合线构成环形结构。耦合器包括四段耦合线，且形成四个端口，分别为输入端、耦合端、隔离端和直通端。四段耦合线都采用三线耦合的方式，且三线耦合线的外侧两条信号线的同一端相连，从而形成四个端口结构，分别记为第一端口、第二端口、第三端口、第四端口，其中第一端口、第二端口位于同一侧且第一端口为三线耦合线的外侧两条信号线的连接端，第三端口、第四端口为三线耦合线的另一侧的两个端口，第三端口为外侧两条信号线另一个连接端。其可以通过调整耦合线的宽度与间距从而改变耦合线的耦合电容、耦合系数并改变其奇偶模阻抗，从而改变性能。

四段耦合线结构尺寸基本一致，四段耦合线分别为第一段三线耦合线、第二段三线耦合线、第三段三线耦合线和第四段三线耦合线；第一段三线耦合线的第一端口与输入端相连，第一段三线耦合线的第三端口与第二段三线耦合线的第二端口相连，第一段三线耦合线的第四端口端与第二段三线耦合线的第一端口端相连，第一段三线耦合线的第二端口端与第四段三线耦合线的第三端口端连接；耦合器的隔离端与第二段三线耦合线的第三端口连接，第二段三线耦合线的第四端口与第三段三线耦合线的第二端口相连；第三段三线耦合线的第一端口与耦合端相连，第三段三线耦合线的第四端口与第四段三线耦合线的第一端口相连，第三段三线耦合线的第三端口端与第四段三线耦合线的第二端口端相连；第四段三线耦合线第三端口端与耦合器的直通端相连。

其中耦合器设计的尺寸具体设计步骤如下：

步骤1：选用工艺提供的厚金属层作为耦合器的信号线金属层以减小信号线损耗，耦合器的初始尺寸设置为所需工作频率下的四分之一波长线长，即输入端到直通端的总金属长度设置为工作频率的四分之一波长长度。对其进行电磁场仿真结果计算耦合器四端口性能，包括隔离度、直通端和耦合端信号一致性、各端口驻波。此时耦合器的工作频率偏低。

步骤2：通过调整三线耦合线的宽度和间距调整耦合器的四端口性能至较优值，按此时耦合器的工作频率与目标工作频率进行比值计算，将耦合器输入端到直通端的总长度同比例缩小，重复步骤2直至耦合器的中心工作频率达到目标工作频率。耦合器的工作频率与其工作带宽是一个折中关系，可以通过降低工作带宽的要求进一步减小耦合器的尺寸。

四段耦合线结构尺寸基本一致，四段耦合线分别为第一段三线耦合线、第二段三线耦合线、第三段三线耦合线和第四段三线耦合线；第一段三线耦合线的第一端口与输入端相连，第一段三线耦合线的第三端口与第二段三线耦合线的第二端口相连，第一段三线耦合线的第四端口端与第二段三线耦合线的第一端口端相连，第一段三线耦合线的第二端口端与第四段三线耦合线的第三端口端连接；耦合器的隔离端与第二段三线耦合线的第三端口连接，第二段三线耦合线的第四端口与第三段三线耦合线的第二端口相连；第三段三线耦合线的第一端口与耦合端相连，第三段三线耦合线的第四端口与第四段三线耦合线的第一端口相连，第三段三线耦合线的第三端口端与第四段三线耦合线的第二端口端相连；第四段三线耦合线第三端口端与耦合器的直通端相连。

在设计好耦合器后，将反射型移相电路分别与耦合器的耦合端与直通端相连，即反射型移相电路一共有两个，耦合器的输入端作为一个反射型移相电路的输入端，耦合器的隔离端作为另一个反射型移相电路的输出端。

反射型移相电路包括感性负载电路和容性负载电路，感性负载电路包括电感、第一晶体管和电阻，电感和第一晶体管串联，第一晶体管和电阻并联，用于调整反射型移相电路的寄生调幅；容性负载电路包括电容和第二晶体管，电容与第二晶体管串联，且第二晶体管接地。

容性负载电路的控制信号和感性负载电路的控制信号反向，从而使得整个反射型移相电路在切换开关控制信号时，输出端可以产生不同相移的输出信号从而实现移相功能。即当与电容相连的一侧开关导通时，与电感相连的一侧开关关闭，反之当电感相连的一侧开关开启时，与电容相连的一侧开关关闭从而实现容性负载电路和感性负载电路之间切换。当通过调整电容、电感、晶体管的大小使得反射型移相电路达到目标移相值，再通过调整并联的电阻来补偿反射型移相电路寄生调幅。其中为了减小反射型移相电路的面积，将容性负载电路摆放在耦合器内部。

具体的设计实例如下，一款移相度数为180度的反射型移相电路，如图3所示是本方案设计的集成电路MMIC芯片的实际示意版图，选取晶体管FET1栅宽为55um，栅极并联指数为12，栅长为120nm；晶体管FET2栅宽为66um，栅指数为12，栅长为120nm。电阻R1尺寸为6um*71um，电阻值为690欧姆。电容cap1容值为90fF，电感ind1感值为210pH。控制电平高电平为1.5伏，低电平为0伏。该反射型移相电路面积为：350um*400um。在25GHz-30GHz频段内，从图5可知，移相器插损小于4dB，由图6、7可知其反射系数小于-12dB，由图8可知其移相度数波动小于0.5度，由图9可知其寄生调幅小于0.27dB。

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。