图2 Ka波段MMIC VCO原理图
Foundry对有源器件提供设计自由度有单指栅极宽度（Wu）和栅指数目（N）。更大栅宽结构的有源器件具有更大的功率容量，能提供更大的输出功率，但是有源器件的噪声系数也会随之增大，这样会恶化相位噪声。出于对输出功率和相位噪声的综合考虑，主振荡管F_osc的栅宽选择为4×30 μm。变容管由漏极和源极相连并接地的pHEMT管F_varactor来实现，谐振网络由变容管和微带线TL4组成。将三端口有源器件用作变容管第一次由J.Lin和T.Itoh于1992年提出[10]，文献[7]中也使用三端口器件作为压控振荡器的调谐器件。有源器件的源极串接反馈电容形成正反馈以获得负阻，该电容由开路微带线TL11实现。TL6，TL7，TL8，TL9为输出匹配网络，直流偏置网络均由带射频旁路电容的[14]波长微带线构成。图2中的[Zout]和[ZL]分别为从点A向左右两边看去的阻抗，由振荡器基本原理知满足最大输出功率的小信号起振条件为：
[ReZL（ω0）=-13ReZoutω0ImZL（ω0）=-ImZoutω0] （5）
小信号分析完成后采用谐波平衡分析方法仿真VCO的实际振荡频率、输出功率及相位噪声，在仿真中调整相关元器件的参数使最后仿真结果符合设计指标要求。在完成初步电路仿真之后，根据设计指标进行版图绘制与版图的电磁仿真和调整以达到设计要求。最后，根据Foundry提供的模型参数的公差对设计进行蒙特卡洛成品率分析，以确保设计具有良好的成品率。依照上述设计思路所获得的VCO版图如图3所示，满足设计规则检查（DRC）。芯片尺寸为1.5 mm×1 mm。
图3 Ka波段MMIC VCO版图
3 MMIC VCO的仿真分析
MMIC 电路的最终性能要通过电磁仿真软件进行验证，本文通过2.5D电路仿真软件MOMENTUM对版图进行电磁仿真。其中考虑了输出接口带来的影响，输出端口采用单根直径25 μm，长度为300 μm的金丝bond?wire键合，其作用等效为约[5]0.24 nH。
首先进行小信号分析，通过调整源极反馈网络实现图2中A点处获得最大负阻，并确保输出阻抗[Zout]的电阻部分在其他不需要的频段为正值以消除寄生振荡；输出匹配网络以满足式（5）的最大输出功率条件为目标进行设计。负阻及输出匹配网络的版图仿真结果如图4所示（调谐电压为-1 V时）。
由图4可以看出振荡电路已满足小信号分析的起振条件。在完成小信号分析之后采用谐波平衡算法进行分析，基于版图仿真的振荡器输出功率和输出频率仿真结果如图5所示。
由图5可看出该VCO可在24.6～26.3 GHz的输出频率内提供（10±1） dBm的输出功率，且二次谐波抑制达到了19 dB。由于Foundry提供的有源器件的大信号模型不包含信号源[5]，无法使用谐波平衡法对相位噪声做出精确仿真，而在振荡器的设计中有源器件的噪声系数和变容管的[Q]值是影响振荡器相位噪声的关键因素[9?11]。为实现较低的相位噪声，本文通过对振荡管及变容管的栅宽结构进行选择来确保较低的相位噪声：使振荡管在实现指标输出功率条件下具有最小的噪声系数，同时在设计中使变容管在实现指标要求的调谐带宽条件下具有最高的无载[Q]值。
图4 输出负阻及匹配网络仿真
图5 振荡器的输出功率和输出频率仿真
MMIC电路具有不易修改和调整的特性，在进行MMIC电路设计时应确保其有足够高的成品率，目前广泛使用的是蒙特卡洛成品率分析。蒙特卡洛分析的原理是：根据经验和工艺技术水平对电路元器件模型的参数进行公差设定，然后随机地从元器件参数的公差范围内取值进行仿真和计算，通过一系列此类仿真计算实现具有统计特性的仿真结果[3]。其中电路元器件参数的公差由生产厂商或设计开发人员来提供，仿真和计算由计算机辅助设计软件来实现。使用蒙特卡洛方法对本文的MMIC VCO进行200次随机谐波平衡分析的结果如图6所示。
图6 振荡器的蒙特卡洛分析
由图6可以看出本文所设计的MMIC VCO在Foundry提供的工艺公差范围内对器件参数的变化敏感度较低，具有良好的稳定性。设定输出频率在24～27 GHz内、输出功率大于9 dBm为合格品，得到如图7所示成品率分析结果，具有较高成品率。虽然蒙特卡洛成品率分析基于电路仿真，和版图的电磁仿真结果存在一定差异，蒙特卡洛成品率分析依然可以有效分析出元器件参数变化对电路性能的影响，使设计者对电路进行改进，提高设计的成品率，有效地降低设计成本和设计风险。
图7 振荡器的成品率分析
4 结 论
本文介绍了VCO设计的基本方法，在此基础上基于国际先进的0.25 μm GaAs pHEMT工艺设计了一种Ka波段MMIC VCO，并完成了版图的设计和仿真。版图仿真结果表明该VCO可在24.6～26.3 GHz的输出频带内实现（10±1） dBm的输出功率，同时二次谐波抑制大于19 dB，芯片尺寸为1.5 mm×1 mm。本设计基于成熟的0.25 μm GaAs pHEMT工艺，具有流片方便，易集成，输出功率较高，谐波抑制好等特点，对工程上此类设计和应用具有一定的参考价值。
参考文献
[1] 张肇仪，周乐柱，吴德明，等.微波工程[M].3版.北京：电子工业出版社，2006.
[2] 许立群，李哲英，钮文良，等.射频与微波晶体管振荡器设计[M].北京：机械工业出版社，2009.
[3] MARSH Steve. Practical MMIC design [M]. USA： Artech House， 2006.
[4] FLORIAN Corrado， TRAVERSO Pier Andrea， FILICORI Fabio. The charge?controlled nonlinear noise modeling approach for the design of MMIC GaAs?pHEMT VCOS for space applications [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 2011， 59（4）： 901 ?912.
[5] United Monolithic Semiconductors. PH25 process design ma?nual V3.01 [M]. [S.l.]： United Monolithic Semiconductors， 2002.
[6] 王维波，王志功，张斌，等.Ka波段低相位噪声GaAs MHEMT单片压控振荡器[J].固体电子学研究与进展，2009，29（3）：352?355.
[7] 余稳.基于微波单片集成电路的交通信息采集技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2007.
[8] BOUDIAF Ali， AhDJOUDJ Mourad， POUVIL Pierre. Low phase?noise PHEMT?based MMIC VCOs for LMDS applications [C]// Digest of 2001 IEEE MTT?S International Microwave Symposium. [S.l.]： IEEE， 2001， 3： 1559?1562.
[9] 费元春.微波固态频率源：理论·设计·应用[M].北京：国防工业出版社，1994.
[10] HWANG Cheol?Gyu， LEE Jeong?Seon， KIM Jeong?Hoon， et al. Simple K?band MMIC VCO utilizing a miniaturized hairpin resonator and a three?terminal p?HEMT varactor with low phase noise and high output power properties [J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters， 2003， 13（6）： 229?231.
[11] 王子宇，王心悦.射频电路设计：理论及应用[M].2版.北京：电子工业出版社，2013.
