1 引言

数字移相器是收/发（t/r）组件中用于控制电波束的核心元件，在整机系统中被广泛应用，为减小t/r模块的尺寸和重量，降低成本与功耗，提高开关速度，主要采用的是微波单片集成电路（mmic）工艺制造移相器。

单片移相器是制作在gaas基片上的微波电路，其工作原理和电路功能与传统的微波电路移相器相同，但在设计方法上有很大的不同。这是因为：（1）制作在gaas基片上的所有元件（包括有源器件及无源元件）都是"平面"结构，它们虽然与传统微波电路元件采用的名称相同，但特性不同，需用复杂的模型来描述。（2）由于gaas基片的微波传输特性与传统的微波基片有很大不同，造成以gaas为基片制作的微波电路存在复杂的寄生效应；mmic中各个元件排列又十分紧凑，相互间的耦合寄生也较严重，因此，设计中必须仔细分析修正，进行电磁场验证。除此之外，mmic使用半导体集成技术制成，其特性唯一地由设计与制造决定，无法像传统的微波电路那样调试。

由此可见，单片移相器的设计技术具有较大的特殊性与复杂性，对设计优化的要求很高，尤其是考虑到gaas mmic高昂的制造成本（制版、工艺、测试等），设计必须一次成功，因而，必须在电路模拟时利用计算机cad技术保证设计的准确性[1]，本文将介绍数控单片移相器的cad设计过程，解决cad技术中的难题。

2 选取合适的元器件模型及电路拓扑

移相器的共性在于结构上都是晶体管作为开关再辅以各种无源元件，通过控制开关使信号在通过无源元件时产生不同的相移，从而实现移相功能，在进行移相器电路的cad输入之前，首先要选取合适的元器件模型和电路拓扑。

2.1 开关器件模型

gaas mesfet，phemt都是单片移相器的理想器件，通常工作于无源状态，没有直流功耗，作为开关器件工作，开关器件的源极和漏极作为射频端，栅极作为控制端，由栅极和源极的相对电位决定其导通和关断（图1）。开关导通时，rds很小，cds较大；开关截止时，rds很大，cds较小，栅电阻rg起隔离信号的作用，应取得足够大。

设计者选定工艺加工线后，应使用该制造商提供的器件模型进行电路设计，其可以根据需求自建模型或对模型进行处理和完善。

2.2 无源元件模型

无源元件大体上分为集总元件和分布元件，集总元件主要指电阻、电容、电感；分布元件主要指传输线。通常当设计电路的工作频段非常宽时，才采用传输线作为匹配元件，集总元件在单片移相器电路中普遍使用的有体电阻、薄膜电阻、mim电容、螺旋电感。体电阻主要用于栅极偏置，隔离高频信号，薄膜电阻主要用于电路匹配，mim电容和螺旋电感主要用于匹配、滤波。

2.3 移相器电路拓扑

目前普遍采用的单片数字移相器电路有开关线式、反射式、加载线式和高低通滤波器式。设计者根据电性能要求、工艺制造难度及性价比为不同的移相位取合适的电路拓扑。开关线式、反射式、加载线式移相器中均需使用分布参数传输线段，占用相当大的芯片面积，而高低通滤波器式移相器用集总元件组成，可做得十分紧凑，这种电路拓扑适用于宽带电路，用于窄带电路设计时某些电性能可望有较大的改善，因此应用最为普遍。

图2是两种常用移相器电路拓扑图。

3 移相器的cad设计优化

3.1 选择eda工具

eda软件仿真器是mmic设计者必不可少的工具，在数控单片移相器的设计中，mmic设计软件必须敏捷、准确、具有良好的用户界面，能实现电路仿真、优化、综合、版图设计、电磁场分析等功能[2]，此外还能在基于工艺线的设计环境进行电路设计。

3.2 电路设计

根据电性能指标，每一种移相状态需制定的优化目标有：参考态驻波、移相态驻波、相移、参考态插损、移相态插损、插损波动、相移误差等。比如五位移相器共有32种状态，其优化目标多达近200项。因此合理地设定优化途径极为重要，否则不仅耗费大量机时，优化成效极低，甚至完全得不到结果，多位数字移相器的优化途径为：先优化单个位，再根据单个位的优化结果进行多位级联优化。

首先对各单个位的集总参数电路进行优化，得到各位最佳拓扑及集中参数值。接着通过综合将集总参数电容转为相应的mim电容，将集总参数电感转为螺旋电感或长微带线，将集总参数电阻转为体电阻或薄膜电阻，将连接线转为微带线。完成物体结构的综合后，根据电路设计指标对各位移相器做性能优化。
电路优化时应注意：初始优化的变量不宜太多，变量初值及上下限要合