一种基于SiGe BiCMOS工艺的X波段4x4片上Butler矩阵设计
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摘要：本设计基于0.18 ym SiGe BiCMOS工艺设计了一款X波段Butler矩阵芯片。芯片由90。耦合器、移相器、交叉耦合器组成。详细分析了芯片中个单元电路设计及可能存在的问题。测试结果表明，在9.5 -10.5 GHz的设计频段内，可同时输出4个波束，插入损耗小于2.5dB。
关键词：波束形成;片上Butler矩阵;X波段
中图分类号：TP311 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）21-0217-02
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1 引言
随着无线通信、雷达和电子对抗的迅速发展，宽带波束成形技术越来越多地用于射频或微波系统[1]。波束形成网络是宽带波束成形的核心技术之一，它是具有多个输入端口和输出端口的馈电网络。激励这些输入端口以在输出端口之间生成几组相位系数，以实现不同的指向光束。波束成形网络在很大程度上决定了多波束技术的发展程度。
由于Butler矩阵具有平衡的电磁路径，自然具有宽带特性，因此是宽带波束形成网络的首选电路形式。宽带Butler矩阵发展趋势小型化、高集成度、低成本、可重复性好、易于大规模生产等。因此利用硅基芯片工艺研制的片上Butler矩阵具有重要的现实意义和良好的应用前景。
2 芯片架构
在进行射频集成电路设计的时候，首先就是要根据芯片的性能要求，兼顾成本、流片周期、工艺的准确度等因素，选定合适的工艺和代工厂。就目前的研究和商用情况来看，主要的RFIC工艺有：GaAs、SiGe BiCMOS、Si BJT、Si CMOS等。
GaAs工艺具有最佳的射频性能，但其成本昂贵、难以大规模集成，主要用于设计性能要求高的射频前端，如噪声系数ldB左右的低噪声放大器，输出功率为瓦级的功率放大器等;SiCMOS射频性能相对较差，但可以实现高集成度、低成本设计;SiGe工艺则是通常是在对芯片性能、成本和集成度折中时的选择。
综合权衡项目整体需求，选择华虹宏力0.18μm SiGe BiC-MOS工艺实现本项目的芯片设计，4x4片上Butler矩阵设计指标如下：
（1）工作频率：9.5GHz-10.5 GHz
（2）插入损耗：<2.5 dB
（3）旁瓣电平：<-10 dB
（4）芯片面积：<2 iTIIT12
4x4片上Butler矩阵主要电路模块包括90°coupler、移相器、交叉耦合器等，具体架构如图1所示。
3 芯片设计
下面分别介绍90°coupler、移相器、交叉耦合器单元电路设计。
3.1 90°耦合器电路单元设计
在4x4片上Butler矩阵的设计中，为提高集成度、减小芯片面积，对于90°耦合器电路模块采用集总参数元件实现，其电路结构如图2所示。该结构的性能指标在较宽的工作频率范围内均随频率线性变化，其特性与采用传输线搭建的相应结构相类似，可有效地保证Butler矩阵的宽带性能。其中集总参数元件的取值为
故在9.5-10.5 GHz的工作频率范围内，取中心频点IOGHz计算，可得：C1=318.9 fF.L1=562.7 pH，C2=131.3 fF
在仿真软件平台上，将计算所得的元件值赋于构成900耦合器电路的理想集总元器件，进行仿真。根据计算所得賦值的理想元器件构成900耦合器电路性能指标也是十分理想的。
将DesignKit中的电容和电感代人90°耦合器电路结构中进行仿真，而这些工艺库中元器件的初始取值即为上一步仿真优化得到的理想元器件值。
通过仿真优化可知由于工艺库元件寄生参数的影响，性能较理想元器件的900耦合器电路略有下降。
对于无源电路，电磁场仿真可以准确地获取其电性能指标，故对90°耦合器电路而言，在完成版图后应用电磁仿真工具进行电磁场分析，可知在9.5 GHz至10.5 GHz频段内，输出端口的相位差介于88°与90°之间。
3.2 移相器电路单元设计
片上Butler矩阵中的移相器电路模块也采用集总参数元件实现，其电路结构如图3所示。该结构所引入的相移在较宽的工作频率范围内均随频率线性变化，可有效地保证Butler矩阵的宽带性能。
对于移相器电路模块设计，直接选用工艺库中的电容和电感按移相器的集总参数结构搭建电路进行仿真优化，获取对应的移相要求。450移相器按中心频率10GHz设计。
3.3 交叉耦合器电路单元设计
在4x4 Butler矩阵芯片电路中存在大量的传输线交叉现象，故为了保证Butler矩阵各端口之间的高隔离度，需要认真考虑传输线交叉结构的设计方法，拟采用CPW传输线交叉结构，而这种交叉结构既有效保证了传输线之间的隔离度，同时最大程度上保证了交叉结构处传输线的阻抗均匀性。经电磁场仿真得到X波段的隔离度优于23 dB。
3.4 级联仿真
当90°耦合器电路模块、45°移相器电路模块以及交叉耦合电路模块设计仿真完成后，即可级联构成4x4 Butler矩阵电路，并对整体电路进行仿真优化，以达到指标要求。
电磁仿真模型为了优化电路性能，模型建立时引入了8个端口所需的RF焊盘，充分考虑RF焊盘的寄生效应。级联之后的4x4 Butler模块在9.5GHz至10.5GHz工作频段内，插入损耗为3.5dB+0.3dB，其结果比原理图仿真结果恶化了约2dB。
3.5 设计流片
微波电路的版图设计对电路的实际性能影响很大，需要对版图中各种寄生参数进行提取以精确预测电路的实际性能。目前硅基集成电路的主流应用仍然为数字电路，因为数字电路版图较为密集，信号线长度较短，其寄生参数主要为电阻、电容，因此目前硅基集成电路的版图寄生参数提取工具也主要提取版图中的寄生电阻、电容成分，对自感和互感的提取效果很差，一般不予提取。
而本设计中的Butler矩阵电路为无源电路，整个电路的性能完全可以通过2.5D或3D电磁场仿真获取，无须进行版图的各种寄生参数提取，从而克服硅基电路在微波频段参数抽取的不完善带来的缺陷和不足，确保仿真的准确度，提高流片的成功率。流片后片上4x4 Butler矩阵见图6。
4 测试结果与分析
对流片后的4x4片上Butler矩阵进行测试，测试结果见图7-图10，四个波束分别为-15°、45°、-45°、15°，最大误差约3°，实测结果与仿真分析基本一致。本文提出基于硅基工艺的X波段宽带片上Butler矩阵作为馈电网络应用于阵列天线中，信号从四个端口输入，四个输出端口保持一个恒定的相位差，从而使得波束指向固定角度。该片上Butler矩阵输出端相位差与理论分析一致。此外，硅基片上Butler矩阵具有小型化、高集成度、低成本、可重复性好、易于大规模生产等特点，能广泛应用于大孔径天线阵列中，实现同时多波束，对多个目标进行精确探测。
参考文献：
[1] H.Hashemi and H.Krishnaswamy.“Challenges and opportuni-ties in ultra-wideband antenna-array transceivers for imag-mg，”in Proc. ICUWB 2009：586-591.
【通联编辑：李雅琪】
作者简介：陶小辉（1981-），男，高级工程师，博士在读，研究方向：主要从事孔径阵列系统硬件实现。
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