毫米波矢量调制器及其在有源相控阵天线中的应用
第30卷第5期2011年10月
文章编号：1001－9014（2011）05－0425－04
红外与毫米波学报
J．Infrared Millim．Waves
Vol．30，No．5October ，2011
毫米波矢量调制器及其在有源相控阵天线中的应用
1，21111，21*
韩克武，杨明辉，孙芸，李凌云，侯阳，孙晓玮
（1．中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海200050；
2．中国科学院研究生院，北京100049）
摘要：矢量调制器芯片作为一种可以同时对载波进行相位和幅度调制的新型电路，能够替代传统的数字移相器和
在片测试结果显示可以数字衰减器用在有源相控阵系统中．先设计了一款工作在Ka 波段毫米波单片矢量调制器，
实现－12 －40dB 的幅度调制与360ʎ 的相位调制．然后设计了一个Ka 波段1ˑ 8阵有源相控阵天线，改变矢量调制器的控制电压，成功实现了波束扫描功能，验证了基于矢量调制技术的有源相控阵的可行性．关键词：毫米波；单片集成电路；矢量调制器；有源相控阵中图分类号：TN928文献标识码：A
Millimeter-wave vector modulator and its application
in active phased array antenna
22
HAN Ke-Wu 1，，YANG Ming-Hui 1，SUN Yun 1，LI Ling-Yun 1，HOU Yang 1，，SUN Xiao-Wei 1*
（1．Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology ，Shanghai 200050，China ；
2．Graduate University of the Chinese Academy of Sciences ，Beijing 100049，China ）
Abstract ：Vector modulator can be employed in active phased array antenna （APAA ）as a replacement of conventional digit-al phase shifter and attenuator for its capability of simultaneously realizing millimeter-wave direct carrier modulation on
phase and amplitude．A millimeter wave vector modulator was realized with advanced GaAs pHEMT process ，and onchip measurement has shown that －12 －40dB amplitude modulation and 360ʎ phase modulation was achieved．A Ka band 1ˑ 8array experimental APAA composed of vector modulators was designed and proved to steer the beam scanning effective-ly．It was demonstrated that APAA based on vector modulation technique is feasible．
Key words ：millimeter wave ；monolithic integrated circuit ；vector modulator ；active phased array antenna PACS ：84．40．Ba
引言
在许多先进的毫米波通信和雷达系统中，精确
［1-2］
．在通信的相位和幅度调制是最关键的技术之一
系统中，往往都是对基带信号进行调制后，上变频到
毫米波载波进行无线传输；而在一些需要直接对毫米波载波进行调制的雷达系统中，往往采用昂贵的毫米波数字移相器和数字衰减器，其精度受控制位数限制．为了简化直接载波调制系统，矢量调制器（Vector Modulator ）的概念最早于1988年提出［3］，它将输入信号正交等分成I ，的基本原理如图1所示，Q 两路信号，然后分别对两路信号进行调幅，最后再
可经过同相合成得到输出信号．根据矢量相加原理，以通过简单的调幅模块实现对信号的幅度相位联合
调制．
毫米波天线系统，特别是毫米波有源相控阵天线系统是近年来国内外天线技术研究的一个热门领［4-5］
．随着工作频率的升高，天线阵单元间距变得域
越来越小，对相控阵组件的尺寸和装配提出了更高的要求．矢量调制技术的应用，使得可以用一块矢量调制芯片替代传统的数字移相器和数字衰减器两块芯片，大大减少组件的尺寸，并且同时提高调幅和调相的灵活性．矢量调制技术在毫米波波段发挥了一定的优势，有利于将有源相控阵天线做到小型化和
Received date ：2010-06-21，revised date ：2010-12-14收稿日期：2010-06-21，修回日期：2010-12-14
基金项目：973计划（2009CB320207）；国家自然科学基金（60771058）；上海集成电路技术与产业促进中心（[1**********]）；国家基础科研计划（A1320080002）
mai ：hankewu@mail．sim．ac．cn．作者简介：韩克武（1986－），男，江苏淮安人，博士研究生，主要研究领域为毫米波系统集成和芯片设计．E-*
mail ：xwsun@mail．sim．ac．cn．通讯作者：E-
426
红外与毫米波学报30
卷
图1矢量调制器原理图
Fig．1Diagram of the vector modulator
低成本．
1
1．1
单片矢量调制器设计与离散性分析
单片矢量调制器原理
矢量调制器采用正交矢量调制技术，它的基本
幅度调制结构主要由3部分组成：Lange 耦合器、Wilkinson 同相合路器．假设输入的是一个单位器、
幅度，初始相位为0，频率为ω的正弦波信号，则输出信号A sum 可表示为：
11
A sum =ˑ S I 21+jS Q 21）e j （wt +φ）
，（1）
Lange 耦合器引入的，S I 21、S Q21其中，系数1/分别是两路幅度调制器的传输系数，φ是附加相移．矢量调制器的插入损耗和相移可由下式给出：
IL =－6+20log
－1
θ=φ+tan
S Q 21S I 21
S I 21
．
S Q 21
，（2）（3）
理论上，无源幅度调制器的传输系数可以从－1变化到1，可见矢量调制器在理想的情况下具有－3dB 的固有最小插损和－6dB 的最小全向插损．1．2设计与测试
Lange 耦合器的特征阻抗以及pHEMT 管芯的
［6］
总栅宽是影响单片矢量调制器性能的主要因素，选取合适的设计参数，可以降低矢量调制器的插损和幅度相位不一致性．经过参数优化，获得了一组最优的参数作为设计准则，其中Lange 耦合器的特征
pHEMT 管芯的总栅宽是阻抗经优化后是40欧姆，
70um．
利用0．15um GaAs pHEMT 工艺流片，设计了一款Ka 波段单片矢量调制器，显微镜照片如图2所示．
在35GHz 频率点测试矢量调制器芯片的幅度
4所示
．其中X ，Y 如图3、调制特性和相位调制特性，
Q 两路控制电压，Z 轴分别为I ，单位步进为10mV ，
轴表示插损，单位为dB （相位，单位为度）．由图3可
以明显看到矢量调制器的幅度调制的性能，最小插损可以达到5dB ，最大插损可以达到40dB．由图4可以看出，矢量调制器芯片可以实现－180ʎ 180ʎ 全向的相位调制．联合图3和图4，可以通过改变I ，Q 两路控制电压，利用矢量调制器芯片实现不同的幅度和相位调制．1．3离散性分析
对于有源相控阵天线来说，各个通道之间电性能的一致性尤为重要，因为理论上，各个通道间的误差会破坏天线的辐射特性．单片矢量调制器作为有源相控阵T /R组件中的调制器，其调相和调幅的离散特性对天线的方向图影响很大．如果不对这种离散特性加以分析和控制，将导致系统性能的严重恶化．
5期韩克武等：毫米波矢量调制器及其在有源相控阵天线中的应用
427
毫米波单片矢量调制器离散特性主要由Wil-kinson 功分器、Lange 耦合器以及cold-pHEMT 管的离散型共同决定的，但是前两者影响较小，主要分析cold-pHEMT 管的离散性．pHEMT 是一个理想为了简化分析，假设cold-的变阻器件，寄生参数都可以忽略不计，变阻特性主要由源漏电阻R ds 决定．反射式衰减器离散特性与源漏电阻R ds 离散性的关系，即由R ds 误差所导致S 21的如下式所示．变化量，
d |S 21|=
d |S 21|2Z
dR ds =－d R ds
d R ds （R ds －Z ）2
．（7）
一块矢量调制器芯片就可以取代传统的数字移相器
和数字衰减器两块芯片．大大减小了芯片占用面积，有利于相控阵系统的微型化和小型化集成．为了验
设计了证基于矢量调制技术有源相控阵的可行性，一个1ˑ 8阵Ka 波段有源相控阵天线．2．1
Ka 波段1ˑ 8阵有源相控阵天线系统设计
1ˑ 8阵有源相控阵由功率分配单元，波束成形
单元，功率放大单元，辐射单元组成．其中功率分配单元采用1分8功分器，它是由三级3dB Wilkinson 功分器级联组成，实现8路等幅同相输出．波束成形
可以同时对每个通道提单元采用单片矢量调制器，
供360ʎ 的相位调制和－12 －40dB 的幅度调制．
为了简化设计，没有采用多功能收发电路，仅使用了单向的发射放大器．辐射单元采用贴片式平面微带
1ˑ 8天线，为了便于天线阵列与前端通道的互连，阵天线阵列是可拆卸的，通过K 头连接器与发射模
块相连．
Ka 波段1ˑ 8阵有源相控阵天线系统原理如图6所示．输入信号经1ˑ 8功分器分成8路等幅同相8路功分信号由相应通道中的矢量调制器的信号，
进行调相和调幅，以满足天线阵面形成波束的需要，调制后的8路信号在驱动放大器的作用下，放大到足够的发射功率，最后经辐射单元在空间形成指定的波束
．
设计的1ˑ 8阵有源相控阵天线是可拆卸的，并且采用了垂直互连结构．辐射单元与射频前端可以插拔，方便测试与装配，当有故障出现时，也便于拆卸，同时为将来实现插片式8ˑ 8阵有源相控阵天线提供扩展．射频前端实物如图7所示，射频前端的正
包括1ˑ 8功分器，单片面放置有源功率分配网络，
矢量调制器，驱动放大器，背面放置控制电路板，为
根据工艺线给出的数据，估算Rds 相对离散值
得到约为10%．代入公式7，
d |S 21|=－0. 2
R ds Z （R ds －Z ）
2
，（8）
该式表明，当R ds 趋于0或者无穷大时，即管芯处于打开或者截止状态时，反射式衰减器的一致性非常好，受R ds 离散型影响较小．当R ds 趋于Lange 耦合器特征阻抗时，一致性最差，即使R ds 有微小的变化，反射式衰减器的离散型也趋于无穷大．下图5显示了两片单片反射式矢量调制器在不同偏置电压下的误
pHEMT 的阻抗可以看出，在中心区域，即cold-差，
近似为Z 时，两片矢量调制器的离散度非常大．这
个结论可以指导矢量调制器的使用，尽量避免让矢这个区域量调制器工作在这个离散性较大的区域，
也是矢量调制器衰减极大的区域．
2Ka 波段1ˑ 8阵有源相控阵天线设计与
测试
当工作频率进入到毫米波段时，传统的数字移
数字衰减器的一致性较差，相器设计过程变得复杂，
并且数字控制电路复杂，导致芯片面积过大．矢量调
制器可以同时实现对幅度和相位的联合调制，仅用
图5两片矢量调制器在不同偏置下的调幅离散度
Fig．5AM dispersion of two vector modulators on different bias voltages
图6Ka 波段1ˑ 8阵有源相控阵原理图Fig．6Diagram of Ka band 1ˑ 8array APAA
矢量调制器和驱动放大器提供偏置电压，两块电路板由过孔相连．
图8所示是Ka 波段1ˑ 8阵有源相控阵天线系统实物图，上面放置的模块是射频前端，可以明显看到正面的1ˑ 8阵平面微带天线，该相控阵射频前端的几何尺寸为长68mm ˑ 宽45mm ˑ 高25mm．下面的模块放置的是电源和所有的控制电路．2．2Ka 波段1ˑ 8阵有源相控阵天线测试Ka 波段1ˑ 8阵有源相控阵天线的远场测试在毫米波暗室中完成，采用了自动测试平台对E 面和H 面的方向图进行了测试．自动测试平台如图9所示，由自动转台、网络矢量分析仪、直流稳压电源和所有的组件都通过GPIB 总线连控制计算机组成，
接．待测器件与矢网的2端口相连，固定在转台上，标准喇叭天线与矢网1端口相连．控制计算机设置矢量调制器的偏置电压，按规则改变有源相控阵每个通道的幅度相位分布，以使通道信号经天线模块辐射后在空间某处形成一特定的方向图．进行完偏计算机程序自动控制转台的转动，并置电压设置后，
从矢量网络分析仪中读取数据，在进行一次完整的扫描后绘制出天线远场方向图．
实际测试时，选择了水平方向五个波束指向角度，假设发射天线和接受天线正面相对时角度为0ʎ ，0ʎ ，则五个波束指向角度分别为－40ʎ ，－30ʎ ，30ʎ ，40ʎ． 图10
所示的是实际测试得到的五个波束
的方向图，和预先要求扫描的波束指向基本吻合，副
在30ʎ 和40ʎ 扫描时低于瓣在0ʎ 扫描时低于12dB ，10dB ，3dB 波瓣宽度小于15ʎ．
3结语
为了验证矢量调制技术在有源相控阵中的可行
性和可靠性，简化设计了一个只含有发射支路的Ka 波段1ˑ 8阵有源相控阵天线，改变矢量调制器的偏置电压，实现了相控阵的波束扫描功能．测试结果验证了基于矢量调制技术的有源相控阵体制是可行的，并且为下一步8ˑ 8阵有源相控阵打下基础．
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（下转474页）
方法．这种方法避免了常规FSS 设计所涉及的复杂
且从构成FSS 的材料出发进行设计，具有清晰计算，
的物理意义，同时还可充分借鉴目前不断发展成熟对设计结构简单、相对尺寸的超材料等效介质理论，
频带可调、多通带的FSS 都具有参考价值．更小、
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图9（a ）样品一的仿真及测试结果（b ）样品二的仿真及
测试结果
Fig．9（a ）The simulation and experiment results of Sample 1（b ）the simulation and experiment results of Sample 2
数成正比，当介电常数降低时分布电容必然减小，使得Lorentz 谐振频率有所上升，导致透射峰向高频偏移．
4结语
基于等效介质理论提出了一种使用超材料构建FSS 的方法，这种方法使用长金属线及电谐振结构单元的组合周期排布实现．在FR4基板上构建了一维单面FSS 单元对这种方法进行验证，得到的传输及反射曲线表明这种方法可以实现良好的频率选通特性．在一维FSS 单元的基础上拓展得到了一种宽仿真及实验结果说明电谐振入射角极化无关FSS ，
和金属阵列结合的方式设计FSS 是一种合理可行的
櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚（上接428页）
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