一种低成本紧凑型超宽带氮化镓移相器制造技术

本发明专利技术公开一种低成本紧凑型超宽带氮化镓移相器，应用于单片式微波集成电路领域，针对现有移相器Lange桥尺寸较大的问题，本发明专利技术采用平面螺旋宽带耦合网络和宽带相位补偿网络，实现移相电路紧凑布局；平面螺旋宽带耦合网络采用一级线圈和次级线圈组成的两级线圈耦合网络，简化电路，并通过多次弯折两级耦合线圈形成平面螺旋布局，耦合网络面积大幅减小；宽带相位补偿网络采用电感、电容组成的无损带通响应网络对平面螺旋耦合网络进行相位补偿，改善高频响应，扩展高频带宽；相比Lange桥耦合器的传统反射型移相器面积大幅减小，实现了GaN移相器小型化，大幅降低成本，有利于GaN移相器的推广应用以及GaN MMIC多功能集成。成。成。

【技术实现步骤摘要】
一种低成本紧凑型超宽带氮化镓移相器


[0001]本专利技术属于单片式微波集成电路设计领域，特别涉及一种氮化镓数控移相器技术。

技术介绍

[0002]氮化镓(Gallium Nitride，GaN)是第三代半导体材料，属于宽禁带半导体，具有禁带宽度大、击穿场强高的显著特点。利用其特有的压电极化效应和自发极化效应可构成异质结，进而形成具有高电子迁移率的二维电子气。因此采用该原理制造的氮化镓高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)可以在微波频段实现大功率输出，研究者围绕GaN HEMT在功率特性方面的巨大优势展开了大量工作，GaN微波功率放大器得到了极大发展。随着工艺的进步和微波系统对集成度需求的不断提升，对微波氮化镓的研究开始向着多功能集成方向发展，包括低噪声放大、开关、数控衰减、数控移相等，这类高集成度芯片属于单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)。尽管十多年来氮化镓技术发展迅速，但是碳化硅衬底和异质结外延的价格仍然高昂，并且目前主流成熟工艺仍然采用4英寸晶圆，导致其单位面积的芯片成本是砷化镓的十倍以上，在多阵元的相控阵系统中，这种成本劣势将进一步凸显。可以说高昂的成本是限制GaN MMIC推广和应用的主要原因之一。因此开展低成本氮化镓MMIC研究具有实际的工程意义。
[0003]氮化镓材料成本和工艺成本短时间内无法降低，因此从设计层面降低芯片成本的方法是改进电路设计和版图设计，减小芯片面积。在上述几种氮化镓MMIC中，移相器受限于电磁波信号的波长，往往占据极大的面积，频率越低则面积越大。小移相量(不超过45
°
)电路通常采用高低通型结构就可以实现宽带移相，并且面积较小。但大移相量(移相量不小于45
°
)电路为实现宽带功能，一般采用反射型结构，其拓扑结构如图1所示。射频输入信号RFIN和输出信号RFOUT分别与Lange桥的a端口和隔离端b端口连接，耦合端c端口依次与开关晶体管SW1、电容C1和地相连，构成反射支路1；直通端d依次与开关晶体管SW2、电容C2和地相连，构成反射支路2；开关晶体管SW1和SW2通过同一个控制信号VC实现同时开启或者同时关断。当开关晶体管SW1和SW2处于开启状态时，开关晶体管可等效为一个电阻Ron1和Ron2，如图2所示；当开关晶体管SW1和SW2处于关断状态时，开关晶体管可等效为一个电容Coff1和Coff2，如图3所示。切换开关晶体管的状态可改变反射支路的信号路径，电容Coff1和Coff2可显著改变微波信号的相位。Ron1和Coff1、Ron2和Coff2由开关晶体管规格及其偏置决定，通过设计合适的开关晶体管和电容就可实现相位的改变。在反射型移相网络中，Lange桥的作用是通过线圈耦合隔离入射波和反射波，其长度与电磁波在介质中的四分之一波长λ/4相当。Lange桥本身具有较宽的带宽和良好的微波匹配特性，简化了反射支路的设计，是目前宽带移相器的主流结构。该结构中，Lange桥占据了绝大部分面积
[0004]该结构的缺点在于Lange桥尺寸较大。Lange桥的长度几乎与电磁波在介质中的四分之一波长λ/4相当。以厚度100μm的碳化硅衬底GaN工艺为例，图4给出了λ/4长度与频率Freq的对数曲线。从图4中可以看出，随频率降低，λ/4呈指数增大。在30GHz以下Lange桥长
度就已大于1mm；而在更低的C波段，其长度甚至大于5mm。Lange桥占用面积极大，不利于开发低成本的超宽带GaN移相器。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提出一种低成本紧凑型超宽带氮化镓移相器，基于反射型移相原理，采用平面螺旋布局的两级线圈宽带耦合电路，并以宽带相位补偿电路补偿螺旋弯折和互感导致的相位偏移，电路布局紧凑，相比基于Lange桥的传统移相器面积显著减小，芯片成本显著降低，并易与GaN低噪声放大器、GaN功率放大器、GaN开关等电路进一步单片集成。
[0006]本专利技术采用的技术方案为：一种低成本紧凑型超宽带氮化镓移相器，包括：平面螺旋宽带耦合网络、两个宽带相位补偿网络、两个反射支路；两个宽带相位补偿网络分别记为第一宽带相位补偿网络、第二宽带相位补偿网络；两个反射支路分别记为第一反射支路、第二反射支路；
[0007]平面螺旋宽带耦合网络包括四段耦合线，每段耦合线长度为八分之一波长，四段耦合线均呈平面螺旋状，将四段耦合线分别记为：M1、M2、M3、M4，M1和M2为一级线圈，M3和M4为次级线圈；M1和M3彼此耦合，M2和M4彼此耦合；M1、M2、M3、M4各自的第一端为靠近各自平面螺旋中心的一端，M1的第一端与M2的第一端连接，M3的第一端与M4的第一端连接；
[0008]M1的第二端作为输入端口，M4的第二端作为输出端口；
[0009]M3的第二端与第一宽带相位补偿网络第一端，M3的第一端与M4的第一端连接的中点与第一宽带相位补偿网络第二端连接，第一宽带相位补偿网络第三端与第一反射支路连接；
[0010]M2的第二端与第二宽带相位补偿网络第一端连接，M1的第一端与M2的第一端连接的中点与第二宽带相位补偿网络第二端连接，第二宽带相位补偿网络第三端与第二反射支路连接。
[0011]本专利技术基于氮化镓单片微波集成电路工艺开发，利用该工艺中厚度5um的金属层作为耦合线，提高耦合强度的同时可降低耦合线插入损耗。并且金属交叠跨接处通过表层金属以空气桥形式实现，减小了寄生耦合，无需引入额外键合线。
[0012]本专利技术的有益效果：本专利技术采用的新型平面螺旋宽带耦合网络通过弯折平行耦合线使得面积相比Lange桥耦合器大幅减小，并通过电感、电容组成的无损宽带相位补偿网络对弯折螺旋结构引入的非理想寄生效应进行相位补偿，实现移相电路紧凑布局，进而可使GaN移相器小型化，大幅降低成本，有利于GaN移相器的推广应用以及进一步的GaN MMIC多功能集成。
[0013]本专利技术的结构具备以下优点：
[0014](1)本专利技术基于氮化镓单片微波集成电路工艺，耦合线金属厚度相比常规工艺更厚，可以实现更低的损耗和更高的耦合强度，金属交叠跨接处采用空气桥工艺以减小寄生耦合，无需引入额外键合线，一致性好；
[0015](2)本专利技术采用一级线圈和次级线圈组成的两级线圈耦合网络，相比由五级线圈组成的传统Lange桥减少了一半的耦合线数量，简化了电路；
[0016](3)本专利技术在版图布局中，两级耦合线圈通过多次弯折形成平面螺旋布局，压缩了
四分之一波长线在传输方向的长度，耦合网络面积大幅减小；
[0017](4)本专利技术采用电感、电容组成的无损带通响应网络对平面螺旋耦合网络进行相位补偿，改善高频响应，扩展相位高频带宽，避免以牺牲带宽为代价换取面积的压缩；
[0018](5)本专利技术的平面螺旋耦合网络结合相位补偿网络呈现宽带特性，结构紧凑，大幅减小移相电路面积，有利于降本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低成本紧凑型超宽带氮化镓移相器，其特征在于，包括：平面螺旋宽带耦合网络、两个宽带相位补偿网络、两个反射支路；两个宽带相位补偿网络分别记为第一宽带相位补偿网络、第二宽带相位补偿网络；两个反射支路分别记为第一反射支路、第二反射支路；平面螺旋宽带耦合网络包括四段耦合线，每段耦合线长度为八分之一波长，四段耦合线均呈平面螺旋状，将四段耦合线分别记为：M1、M2、M3、M4，M1和M2为一级线圈，M3和M4为次级线圈；M1和M3彼此耦合，M2和M4彼此耦合；M1、M2、M3、M4各自的第一端为靠近各自平面螺旋中心的一端，M1的第一端与M2的第一端连接，M3的第一端与M4的第一端连接；M1的第二端作为输入端口，M4的第二端作为输出端口；M3的第二端与第一宽带相位补偿网络第一端，M3的第一端与M4的第一端连接的中点与第一宽带相位补偿网络第二端连接，第一宽带相位补偿网络第三端与第一反射支路连接；M2的第二端与第二宽带相位补偿网络第一端连接，M1的第一端与M2的第一端连接的中点与第二宽带相位补偿网络第二端连接，第二宽带相位补偿网络第三端与第二反射支路连接。2.根据权利要求1所述的一种低成本紧凑型超宽带氮化镓移相器，其特征在于，两个宽带相位补偿网络的结构和器件参数相同。3.根据权利要求2所述的一种低成本紧凑型超宽带氮化镓移相器，其特征在于，第一宽带相位补偿网络包括：传输线TL1、电容C1b、电容C1c、电容Cx；电容C1c的第一端作为第一宽带相位补偿网络的第一端，电容C1c的第二端与电容C1b的第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：王向东，张健，李沫，杨帆，姜昊，陈飞良，刘洋，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：