一种基于40nmCMOS工艺的6位毫米波数控衰减器

本发明涉及射频通信技术，特别涉及一种基于台积电40nm lp工艺的6位毫米波数控衰减器。

背景技术：

1、作为当今世界各国致力于开发的5g通信技术核心的核心挑战就是要解决高通信速率的问题，而60ghz毫米波毫无疑问是解决该问题的方法之一，毫米波频段资源丰富，采用低阶调制即可达到高通信速率，而60ghz还是全球公用的免费频段，具有良好的国际通用性与经济优势，除此之外，60ghz毫米波还具备安全性高、抗干扰能力强等优点。幅度控制电路是无线通信中的重要部分，幅度控制电路对信号幅度的控制会极大程度影响通信系统中后续电路的工作。而幅度控制电路通常采用可变增益放大器和可变衰减器实现幅度控制功能，其中数字控制衰减器的线性度较好、功耗更低，所以应用更为广泛。除此之外，衰减器在相控阵雷达中也同样重要相控阵雷达需要成千上万的t/r模块，每个t/r模块均需要一定数量的衰减模块。因此，为实现高性能的无线通信和相控阵雷达系统，非常有必要开展低成本、低功耗、高性能的衰减器研究与设计。

2、传统的可变衰减器设计通常使用gaas工艺，该工艺所制作的开关管所设计的电路通常具有插入损耗较低、线性度较高的优点，然而，gaas工艺所制作衰减器成本过高、成品率较低并且与硅工艺难以兼容导致了其应用范围极其狭窄。而本发明所采用cmos工艺则具有更高的集成度与成品率，更适合大规模量产与使用。同时，传统的可变衰减器虽然具备良好的性能，但是其工作频率主要集中在50ghz以下的频段，当工作频率接近60ghz时，由于非理想效应带来的影响，衰减精度会急速下滑。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种基于40nmcmos工艺的6位毫米波数控衰减器。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于40nmcmos工艺的6位毫米波数控衰减器，包括六个衰减单元模块，六个衰减单元的模块衰减量为0.5db、1db、2db、4db、8db、16db，按照衰减量0.5db-4db-8db-2db-1db-16db级联，其中：

3、衰减量为0.5db、1db的衰减单元采用简化t型衰减电路，衰减量为2db、4db的衰减单元采用桥t型衰减电路；衰减量为8db的衰减单元采用π型衰减结构；衰减量为16db的衰减单元由两个衰减量为8db的衰减单元级联而成；

4、衰减量为2db、4db、8db、16db的四个衰减单元设置低通滤波相位补偿网络，低通滤波相位补偿网络通过电感两端连接两个阻值相同的电阻滤除高频成分，进行附加相移的调整。

5、进一步的，衰减量为0.5db、1db的衰减单元采用简化t型衰减电路，其中：

6、衰减量为0.5db的衰减单元中，mos管m11的栅极接控制电平sw0.5db，m11的源极通过电阻rp1接地；

7、衰减量为1db的衰减单元中，mos管m12的栅极接控制电平sw1db，mos管m12的源极通过电阻rp2接地。

8、进一步的，衰减量为2db、4db的衰减单元采用桥t型衰减电路，其中：

9、电阻ro1的一端作为信号的输入端口，另一端同时与电阻ro2和共栅管m21的源极相连，电阻ro2的另一端作为信号的输出端口；电阻rc1的一端同样连接信号的输入端口，另一端通过滤波电感lc1连接电阻rc2，电阻rc2的另一端连接信号的输出端口；共栅管m21栅极与控制电平sw2dbn相连，漏极并联信号的输入端口，源极并联信号的输出端口；共漏管m13栅极与控制电平sw2dbn相连，源极与电阻ro1和电阻ro2的连接点相连，漏极通过电阻rp3接地。

10、进一步的，衰减量为8db的衰减单元采用π型衰减结构，其中：

11、共栅管m23的漏极作为信号的输入端口，源极作为信号的输出端口，栅极与控制电平sw8dbn相连；电阻rc5的一端并联在m23的漏极，与信号的输入端口相连，另一端通过滤波电感lc3与另一个电阻rc6相连，rc6的另一端并联在m23的源极，与信号的输出端口相连；共漏管m15的源极同样并联在m23的漏极，与输入端口相连，漏极通过电阻rp5接地，栅极与控制电平sw8dbn相连；共漏管m16的源极同样并联在m1的源极，与输出端口相连，漏极通过电阻rp6接地。

12、进一步的，衰减单元模使用40nmnmos管，采用体悬浮的深n阱技术，将p-well体端隔离并串联大电阻rp，同时dnw端接高电平。

13、本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

14、(1)在60ghz的高频段下，传统衰减器的mos管作为开关，状态来回快速切换，各极之间以及各极与衬底之间的寄生电容很大程度上限制了其开关特性，而采用体悬浮的深n阱技术减少了nmos管的电容耦合和信号泄露，可以屏蔽公共衬底耦合产生的噪声干扰和寄生效应带来的相位延迟，使nmos管具有良好的隔离度，串联电阻rp将nmos管的源极、漏极与衬底寄生电容悬浮隔离，避免了对地的信号泄露，并减小信号在寄生元件上的摆幅，进而在60ghz的高频段工作时，能够更好地减小插入损耗，提高衰减的线性度，克服了在高频段下非理想效应带来的插损增加与衰减精度降低，经过仿真测试的最佳nmos管尺寸平衡了nmos尺寸过大时会过高的附加相移与尺寸过小时会过高的插入损耗，最大限度地保证了衰减器的性能，减小了电路的尺寸。

15、(2)在60ghz的高频段下，衰减器在工作时会产生更高的附加相移，采用低通滤波相位补偿网络能够合适地补偿产生的附加相移，保证衰减器在60ghz下工作的性能。

16、(3)六个衰减模块中衰减量较小的0.5db、1db衰减模块采用简化后的t型衰减结构，减小由导通电阻引起的信号损耗，同时降低相位随频率增大而产生的偏差，衰减量为2db、4db的衰减模块采用经典的桥t型衰减结构，级联时对前后模块造成的影响较小，8db采用经典的v型衰减结构，保证了衰减量。

17、(4)经过仿真测试的一路级联顺序在级联后对各个模块的相位误差、衰减平坦度和功率处理能力等性能影响最小。

技术特征：

1.一种基于40nmcmos工艺的6位毫米波数控衰减器，其特征在于，包括六个衰减单元模块，六个衰减单元的模块衰减量为0.5db、1db、2db、4db、8db、16db，按照衰减量0.5db-4db-8db-2db-1db-16db级联，其中：

2.根据权利要求1所述的基于40nmcmos工艺的6位毫米波数控衰减器，其特征在于，衰减量为0.5db、1db的衰减单元采用简化t型衰减电路，其中：

3.根据权利要求1所述的基于40nmcmos工艺的6位毫米波数控衰减器，其特征在于，衰减量为2db、4db的衰减单元采用桥t型衰减电路，其中：

4.根据权利要求1所述的基于40nmcmos工艺的6位毫米波数控衰减器，其特征在于，衰减量为8db的衰减单元采用π型衰减结构，其中：

5.根据权利要求1所述的基于40nmcmos工艺的6位毫米波数控衰减器，其特征在于，衰减单元模使用40nmnmos管，采用体悬浮的深n阱技术，将p-well体端隔离并串联大电阻rp，同时dnw端接高电平。

技术总结本发明公开了一种基于40nmCMOS工艺的6位毫米波数控衰减器，包括六个衰减单元模块，六个衰减单元的模块衰减量为0.5dB、1dB、2dB、4dB、8dB、16dB，按照衰减量0.5dB‑4dB‑8dB‑2dB‑1dB‑16dB级联，其中：衰减量为0.5dB、1dB的衰减单元采用简化T型衰减电路，衰减量为2dB、4dB的衰减单元采用桥T型衰减电路；衰减量为8dB的衰减单元采用π型衰减结构；衰减量为16dB的衰减单元由两个衰减量为8dB的衰减单元级联而成，衰减量为2dB、4dB、8dB、16dB的四个衰减单元设置低通滤波相位补偿网络，低通滤波相位补偿网络通过电感两端连接两个阻值相同的电阻滤除高频成分，进行附加相移的调整。本发明在一定程度上克服了非理想效应带来的影响，在60GHz的高频段工作时仍保持较好的衰减精度与较低插入损耗与附加相移。技术研发人员：陈鑫源,杜伯祥,买姿玲,崔杰,颜世达受保护的技术使用者：南京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18