毫米波矢量调制器芯片的设计和测试

电子测量与仪器学报２００９年增刊

２芯片设计

矢量调制器主要包括三个功能子电路的设计，分别为：正交功分器，功率合成器，幅度调制器。在毫米波集成电路设计中，正交功分器一般采用Ｌａｎｇｅ耦合器实现，Ｌａｎｇｅ耦合器如图２所示，是一个四端口器件，当信号有１端口输入时，如果４端口连接一个标准匹配负载，则１端口的信号被正交等分到３，４端口。功率合成器一般采用Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ合成器，是一种比较简单的平面结构电路。幅度调制器有很多种结构，本设计中采用一种反射式幅度调制器，其结构如图３所示，将一个Ｌａｎｇｅ耦合器的１，２端口作为输入输出端，３，４端口分别连接两个ｐＨＥＭＴ管，利用ｐＨＥＭＴ管在不同偏置下的变阻特性实现对１端口输入信号幅度的调制。

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图２Ｌａｎｇｅ耦合器示意图

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图３反射式幅度调制器结构

根据上面的分析，矢量调制器的设计重点在于Ｌａｎｇｅ耦合器的设计。Ｌａｎｇｅ耦合器是一种复杂的平面电路，在低频情况下有比较成熟的等效电路模型。然而在毫米波波段，电磁场之间的耦合情况不能继续用简单的等效电路来模拟，需要进行电磁场仿真。ＡｇｉｌｅｎｔＡＤＳ软件提供了一个电磁场仿真工具Ｍｏｍｅｎｔｕｍ，该软件非常适合平面结构器件的电磁场仿真，并且进行电磁场电路的联合仿真。根据以往设计和测试的经验表明，在０－６０（；Ｈｚ以内，ＡＤＳ软件可以很好的仿真和预测芯片实际的性能［７］［８］。本文利用ＡＤＳ设计了一款毫米波矢量调制器芯片，该芯片工作在Ｋａ波段，利用ＧａＡｓｐＨＥＭＴ工艺流片实现，最终的芯片显微镜照片如图４所示，芯片长２ｍｍ宽０．８ｍｍ。

图４矢量调制器显微镜照片

３测量方法与结果

３．１测量指标与测试平台简介

矢量调制器芯片的性能指标主要包括小信号参数和大信号压缩特性。作为一款电压调制芯片，矢量调制器必须测量在不同的偏置电压下，其小信号Ｓ参数，主要包括传输系数Ｓｚ－的幅度和相位，将这个三维数据表提供给用户。在实际使用中，通过查讯这张表，可以获知特定相位和幅度调制所需要的控制电压。另外，大信号测试可以得到矢量调制器的压缩特性，因为作为一个有源器件，在大信号条件下工作时会产生一些压缩现象，主要包括插损增大，相位偏移。因此必须对矢量调制器的幅度相位压缩特性进行测量，以便系统使用时进行校准。

毫米波芯片的测试对仪器的性能要求比较高，本课题组通过多年的努力，建立了比较完善的微波，毫米波芯片在片测试平台，如图５所示。支持５０ＭＨｚ－１１０ＧＨｚ频段的参数测试。对矢量调制器芯片的测试，需要采用表ｌ所示的四种仪器。其中ＨＰ８７２２Ｄ是一款町以支持到４０ＧＨｚ小信号测试的矢量网络分析仪；Ｅ８２４７Ｃ是一款信号发生器，最高频率可以输出到４０ＧＨｚ，Ｅ３６３ＩＡ是一款能提供三路直流电压的稳压电源，Ｅ３６３ＩＡ

能提供毫米波信号的功率检测。

表１测试用仪器

仪器名称仪器型号

矢量网络分析仪ＡｇｉｌｅｎｔＨＰ８７２２Ｄ

信号发生器ＡｇｉｌｅｎｔＥ８２４７Ｃ

直流稳压电源ＡｇｉｌｅｎｔＥ３６３１Ａ

功率计ＡｇｉｌｅｎｔＥ４４１９Ｂ

图５测试系统实物照片

３．２测试方案

小信号Ｓ参数的测量如图６所示，由于矢量调制器需要两路控制电压，我们使用Ｅ３６３ＩＡ提供两路控制电压，矢量调制器的射频输入输出直接与矢量网络分析仪ＨＰ８７２２Ｄ相连。为了精确测量矢量调制器的调制性能，需要设置电源步进电压在１０ｍＶ，这样会导致测试点过多，为了加快测试进度，测试系统将直流电源和矢量网络分析仪通过ＧＰＩＢ接口与电脑互联，利用Ａｇｉｌｅｎｔ提供的接口驱动程序，进行自动测量。

测量矢量调制器芯片的幅度压缩特性如图７所示，在一组控制电压下，通过改变输入信号功率，测试输出功率，观测幅度压缩特性。信号源采用Ｅ８２４７Ｃ，在毫米波波段可以提供２０ｄＢｍ的输出功率，输出功率采用Ｅ４４１９Ｂ。在测试之前，需要对整个链路的功率损耗做测量，以便对最终的测试数据做校准。

由于矢量网络分析仪ＨＰ８７２２Ｄ的输出功率有限，因此不能够直接测量矢量调制器在大信号下的相位压缩特性。凶此，测试矢量调制器的相位压缩，如图８所示需要在矢量网络分析仪和矢量调制器直接加入一级驱动放大器模块。该模块由本课题组自行研制，在２６－４０ＧＨｚ频带能提供２０ｄＢ的增益以及最大１３ｄＢｍ的功率输出。由于放大器也存在大功率下的相位压缩，因此需要在一开始对驱动放大器模块进行相位压缩的测试，以作为后续校准的依据。

图６矢量调制器小信号测试示意图

图７矢量调制器幅度压缩测试示意图

图８矢量调制器相位压缩测试示意图３．３测试结果

矢量调制器芯片的小信号测试结果由两张三维图表示。图９表示的是在３８ＧＨｚ频率点测试时矢量调制器芯片的幅度调制特性，其中Ｘ，Ｙ轴分别为Ｉ，Ｑ两路控制电压，单位步进为１０ｍＶ，ｚ轴表示插损，单位为ｄＢ。由该图可以明显看到矢量调制器对幅度调制的性能，最小插损可以做到５ｄＢ，最大插损可以做到４０ｄＢ。图１０表示的是在３８ＧＨｚ频率点测试时矢量凋制器芯片的相

位调制特性，其中Ｘ，Ｙ轴分别为Ｉ，Ｑ两路控制