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基于平面耿氏 二极管的ka波段单片集成压控 振荡器

阅读：127发布：2020-05-15

专利汇可以提供基于平面耿氏二极管的ka波段单片集成压控振荡器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种基于平面耿氏二极管的ka波段单片集成压控振荡器，其特征在：包括依次连接的直流偏置电压输入单元单元、输入低通滤波器、输出插指耦合电容、具有热电子注入效应的平面耿氏二极管和谐振器。直流偏置电压从直流偏置电压输入单元的中间导体馈入，通过输入低通滤波器的中央微带线和输出插指耦合电容的上端金属臂与具有热电子注入效应的耿氏二极管的顶层阳极一端连接馈入。本发明采用单片微波集成电路与共面波导技术，采用自偏置电路结构，电路结构简单，易于实现单片集成，不需要复杂的腔体波导封装组件。本发明引入具有热电子注入效应的平面耿氏二极管，有效增强压控振荡器直流‑射频的转换效率。，下面是基于平面耿氏二极管的ka波段单片集成压控振荡器专利的具体信息内容。

权利要求

1.基于平面耿氏二极管的ka波段单片集成压控振荡器，其特征在：包括依次连接的直流偏置电压输入单元(0)、输入低通滤波器(1)、输出插指耦合电容(2)、具有热电子注入效应的平面耿氏二极管(3)和谐振器(4)；
所述直流偏置电压输入单元(0)采用共面波导的中间导体馈入，其中间导体金属接电源电压，共面波导两侧导体金属接电源地；中间导体通过微带线(0-1)与输入低通滤波器(1)相连；
所述输入低通滤波器(1)由两节共面波导结构的滤波单元(1-1)串联构成；输入低通滤波器(1)为具有热电子注入效应的平面耿氏二极管(3)提供直流通路，同时在直流通路中抑制耿氏二极管振荡产生的输出射频信号传输，增强输出射频信号的输出功率；
所述输出插指耦合电容(2)下端金属臂与射频输出端口相连，其中上端金属臂有4插指微带线，下端金属臂有5插指微带线；
所述具有热电子注入效应的平面耿氏二极管(3)在顶层阳极高掺杂层下插入一层50纳米AlxGa1-xAs的线性梯度掺杂本征势垒层，平面耿氏二极管的顶层阳极为双端口，其中一端与外加偏置电压相连，另一端与谐振器(4)相连，平面耿氏二极管的底层阴极与共面波导传输线两侧金属地相连，在共面波导传输线中央微带线与两端地之间形成耿氏二极管的直流电压偏置通路；
所述谐振器(4)由二分之一波长共面波导传输线(4-1)与中央水平线上下对称分布的两并联矩形折线绕线电感(4-2)级联构成；
直流偏置电压从直流偏置电压输入单元(0)的中间导体馈入，通过输入低通滤波器(1)的中央微带线和输出插指耦合电容(2)的上端金属臂与具有热电子注入效应的耿氏二极管(3)的顶层阳极一端连接馈入。
2.如权利要求1所述的基于平面耿氏二极管的ka波段单片集成压控振荡器，其特征在于:所述直流偏置电压输入单元(0)的中间导体为50欧特征阻抗的共面波导传输线，微带宽度为48μm，长度为40μm，中间导体与两侧导体地的缝隙宽度为35μm。
3.如权利要求1所述的基于平面耿氏二极管的ka波段单片集成压控振荡器，其特征在于:所述微带线(0-1)宽度48μm，竖直长度65μm。
4.如权利要求1所述的基于平面耿氏二极管的ka波段单片集成压控振荡器，其特征在于:所述输入低通滤波器(1)上限截止频率为28GHz，通带内插入损耗为0.5dB,带外抑制为-
30dB；所述滤波单元(1-1)的中央微带线由五节阶跃阻抗微带线(1-1-1)构成，且在结构中心水平线和垂直线处具有上下对称和左右对称特性，上端和下端的微带线宽10μm，长1060μm,最中间微带线宽40μm，长1180μm，靠近最中间微带线的两端微带线宽15μm，长60μm；滤波单元(1-1)的上端和下端地由“工”形微带线(1-1-2)构成，最下端的微带线宽10μm，长1060μm，中间的微带线宽15μm，长60μm，最上端的微带线为无限宽地平面，长度为1180μm，阶跃阻抗微带线(1-1-1)与“工”形微带线(1-1-2)的垂直间距为15μm。
5.如权利要求1所述的基于平面耿氏二极管的ka波段单片集成压控振荡器，其特征在于:所述输出插指耦合电容(2)的5个插指微带线宽度均为20μm，长度均为56μm；插指间的缝隙均为15μm，38GHz下输出插指耦合电容值为0.2pf。
6.如权利要求1所述的基于平面耿氏二极管的ka波段单片集成压控振荡器，其特征在于:所述具有热电子注入效应的平面耿氏二极管(3)的顶层阳极面积为30*40μm2，阳极和阴极的水平间距为5μm；耿氏二极管阳极接正偏置电压时，耿氏二极管呈现负微分电阻的阈值电压为3.8V，最大正向电流为225毫安；耿氏二极管阳极接负偏置电压时，耿氏二极管呈现负微分电阻的阈值电压为-4.5V，最大反向电流为135毫安，耿氏二极管的正反向电流具有反向不对称性。
7.如权利要求1所述的基于平面耿氏二极管的ka波段单片集成压控振荡器，其特征在于:所述二分之一波长共面波导传输线(4-1)包括中间波导和两侧导体地；二分之一波长共面波导传输线(4-1)长度为229μm，中间导体微带宽度为40μm，中间导体与两侧导体地的缝隙宽度为30μm；所述矩形折线绕线电感(4-2)的微带线宽度为12μm，绕线微带线圈的间距为
16μm，最内圈的水平矩形微带线长424μm，矩形折线绕线电感圈数为2.5圈，38GHz下矩形折线绕线电感值为0.7nH。
8.如权利要求1-7之任一项所述的基于平面耿氏二极管的ka波段单片集成压控振荡器，其特征在于:所述直流偏置电压输入单元(0)、输入低通滤波器(1)、输出插指耦合电容(2)、具有热电子注入效应的平面耿氏二极管(3)、谐振器(4)均制作在砷化镓衬底和300nm的绝缘介质上；所述砷化镓衬底键合在铜热板上，增强电路的热耗散。

说明书全文

基于平面耿氏二极管的ka波段单片集成压控 振荡器

技术领域

[0001] 本发明属于微电子中微波集成电路技术领域，具体涉及一种基于平面耿氏二极管的ka波段单片集成压控振荡器。

背景技术

[0002] 耿氏二极管也称转移电子器件，当外加偏置电压大于其阈值电压时，其具有负微分电阻特性，该负微分电阻可以抵消真实存在的正电阻，形成零电阻电路，获得无穷振荡，产生输出射频/微波信号。以耿氏二极管为非线性元件的振荡器工作原理简单、设计思路简洁，通常在各类接收机中作为混频器的本振源，在雷达和通信系统中作为各种微波模块中的中小功率信号源。由于材料和器件结构的限制，基于耿氏二极管的振荡器输出频率上限为100GHz(GaAs)到300GHz(InP)。

[0003] 通常情况下，传统的耿氏二极管，在N-型层上采用均匀掺杂，且主要采用垂直结构，无法与外围电路元件集成，且正负偏置电压下的耿氏二极管电流具有对称性。以传统耿氏二极管为核心的振荡电路，基于腔体波导封装技术利用波导机械调谐实现输出振荡信号频率和功率的调节，不仅电路腔体封装工艺复杂、制作成本高、体积大，而且不利于与系统其它电路实现单片集成，导致系统中需要大量的器件载体、外接偏置电路和金属波导等体积较大的组件。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种基于平面耿氏二极管的ka波段单片集成压控振荡器，在传统耿氏二极管的顶层阳极高掺杂层下插入了一层线性梯度掺杂本征势垒层，引入热电子注入效应，减小耿氏二极管的负向电流；利用外加偏置电压改变其平面耿氏二极管的负微分电阻和电容特性，实现射频输出信号频率的调谐，利用热电子注入效应增强压控振荡器直流-射频的转换效率,增加振荡器性能优异性。

[0005] 实现本发明目的的关键技术难点在于:大于平面耿氏二极管阈值电压下的器件直流电流较大，耿氏二极管的自热效应显著，如何增强耿氏二极管的热导耗散尤为重要；确定负微分电阻状态下的耿氏二极管等效负电阻和等效寄生电容C，设计与寄生电容C相适应的电抗性谐振器，是整个Ka波段压控振荡电路的核心；如何有效提高压控振荡器的射频信号输出功率、实现射频输出信号频率和功率的调谐？利用单片微波集成电路工艺，如何实现与热电子注入效应平面耿氏二极管制备工艺兼容的输入低通滤波器、输出耦合电容和耦合器结构，以及各元件之间的相互连接？

[0006] 本发明的技术方案如下:

[0007] 基于平面耿氏二极管的ka波段单片集成压控振荡器，包括依次连接的直流偏置电压输入单元单元、输入低通滤波器、输出插指耦合电容、具有热电子注入效应的平面耿氏二极管和谐振器。

[0008] 所述直流偏置电压输入单元采用共面波导的中间导体馈入，其中间导体金属接电源电压，共面波导两侧导体金属接电源地。中间导体通过微带线与输入低通滤波器相连。

[0009] 所述输入低通滤波由两节共面波导结构的滤波单元串联构成。输入低通滤波器为具有热电子注入效应的平面耿氏二极管提供直流通路，同时在直流通路中抑制耿氏二极管振荡产生的输出射频信号传输，增强输出射频信号的输出功率。

[0010] 所述输出插指耦合电容下端金属臂与射频输出端口相连，其中上端金属臂有4插指微带线，下端金属臂有5插指微带线。

[0011] 所述具有热电子注入效应的平面耿氏二极管在顶层阳极高掺杂层下插入一层50纳米AlxGa1-xAs的线性梯度掺杂本征势垒层，平面耿氏二极管的顶层阳极为双端口，其中一端与外加偏置电压相连，另一端与谐振器相连，平面耿氏二极管的底层阴极与共面波导传输线两侧金属地相连，在共面波导传输线中央微带线与两端地之间形成耿氏二极管的直流电压偏置通路。

[0012] 所述谐振器由二分之一波长共面波导传输线与中央水平线上下对称分布的两并联矩形折线绕线电感级联构成。

[0013] 直流偏置电压从直流偏置电压输入单元的中间导体馈入，通过输入低通滤波器的中央微带线和输出插指耦合电容的上端金属臂与具有热电子注入效应的耿氏二极管的顶层阳极一端连接馈入。

[0014] 进一步，所述直流偏置电压输入单元的中间导体为50欧特征阻抗的共面波导传输线，微带宽度为48μm，长度为40μm，中间导体与两侧导体地的缝隙宽度为35μm。

[0015] 进一步，所述微带线宽度48μm，竖直长度65μm。

[0016] 进一步，所述输入低通滤波器上限截止频率为28GHz，通带内插入损耗为0.5dB,带外抑制为-30dB；所述滤波单元的中央微带线由五节阶跃阻抗微带线构成，且在结构中心水平线和垂直线处具有上下对称和左右对称特性，上端和下端的微带线宽10μm，长1060μm,最中间微带线宽40μm，长1180μm，靠近最中间微带线的两端微带线宽15μm，长60μm；滤波单元的上端和下端地由“工”形微带线构成，最下端的微带线宽10μm，长1060μm，中间的微带线宽15μm，长60μm，最上端的微带线为无限宽地平面，长度为1180μm，阶跃阻抗微带线与“工”形微带线的垂直间距为15μm。

[0017] 进一步，所述输出插指耦合电容的5个插指微带线宽度均为20μm，长度均为56μm；插指间的缝隙均为15μm，38GHz下输出插指耦合电容值为0.2pf。

[0018] 进一步，所述具有热电子注入效应的平面耿氏二极管的顶层阳极面积为30*40μm2，阳极和阴极的水平间距为5μm。耿氏二极管阳极接正偏置电压时，耿氏二极管呈现负微分电阻的阈值电压为3.8V，最大正向电流为225毫安。耿氏二极管阳极接负偏置电压时，耿氏二极管呈现负微分电阻的阈值电压为-4.5V，最大反向电流为135毫安，耿氏二极管的正反向电流具有反向不对称性。

[0019] 进一步，所述二分之一波长共面波导传输线包括中间波导和两侧导体地。二分之一波长共面波导传输线长度为229μm，中间导体微带宽度为40μm，中间导体与两侧导体地的缝隙宽度为30μm；所述矩形折线绕线电感的微带线宽度为12μm，绕线微带线圈的间距为16μm，最内圈的水平矩形微带线长424μm，矩形折线绕线电感圈数为2.5圈，38GHz下矩形折线绕线电感值为0.7nH。

[0020] 进一步，所述直流偏置电压输入单元(0)、输入低通滤波器、输出插指耦合电容、具有热电子注入效应的平面耿氏二极管、谐振器均制作在砷化镓衬底和300nm的绝缘介质上；所述砷化镓衬底键合在铜热板上，增强电路的热耗散。

[0021] 本发明的有益效果:

[0022] 1.采用共面波导传输线结构组态，避免了复杂的过孔和背金制备工艺；利用铜热板耗散平面耿氏二极管的大电流热效应，增强器件工作的可靠性。

[0023] 2.在顶层阳极高掺杂层下插入了一层50纳米AlxGa1-xAs的线性梯度掺杂本征势垒层，使平面耿氏二极管工作在负偏置电压下，降低平面耿氏二极管的负向导通电流，提高器件的负电阻，增强直流-射频的转换效率

[0024] 3.利用输入通道低通滤波器对输出射频信号的反射抑制，有效增强压控振荡信号的输出功率。

[0025] 4.利用偏置电压改变平面耿氏二极管的等效负电阻和电容C，实现输出射频振荡信号频率和输出功率的调谐，电路结构简单，实现方便。

[0026] 5.以优异性能热电子注入效应的平面耿氏二极管的振荡器，采用单片微波集成电路与共面波导技术，采用自偏置电路结构，简化电路结构，易于实现单片集成，不需要复杂的腔体波导封装组件。附图说明

[0027] 图1是本发明的版图；

[0028] 图2是本发明的电路原理图；

[0029] 图3是本发明实例中直流偏置电压输入单元的结构图；

[0030] 图4是本发明实例中输入低通滤波器的结构图；

[0031] 图5是本发明实例中输入低通滤波器的单元结构图；

[0032] 图6是本发明实例中输出插指耦合电容的结构图；

[0033] 图7是本发明实例中具有热电子注入效应的平面耿氏二极管的截面示意图；

[0034] 图8是本发明实例中具有热电子注入效应的平面耿氏二极管的俯视图；

[0035] 图9是本发明实例中具有热电子注入效应的平面耿氏二极管的直流电压-电流特性图；

[0036] 图10是本发明实例中谐振器的结构图；

[0037] 图11是本发明实例提供的输出射频信号频率和输出功率随偏置电压变化特性图；

具体实施方式

[0038] 下面结合附图和实施例对本发明技术进行详细描述。

[0039] 如图1所示，基于平面耿氏二极管的ka波段单片集成压控振荡器，包括依次连接直流偏置电压输入单元0、输入低通滤波器1、输出插指耦合电容2、具有热电子注入效应的平面耿氏二极管3和谐振器4。它们均制作在砷化镓衬底和300nm的绝缘介质上，且砷化镓衬底键合在铜热板上，增强电路的热耗散。如图2是本发明提出的对应电路原理图。

[0040] 如图3所示，直流偏置电压输入单元0采用共面波导的中间导体馈入，其中间导体金属接电源电压，共面波导两侧导体金属接电源地。中间导体通过微带线0-1与输入低通滤波器1相连。其中，中间导体为50欧特征阻抗的共面波导传输线，微带宽度为48μm，长度为40μm，中间导体与两侧导体地的缝隙宽度为35μm。微带线0-1宽度48μm，竖直长度65μm。

[0041] 如图4所示，输入低通滤波1由两节共面波导结构的滤波单元1-1串联构成。输入低通滤波器1为具有热电子注入效应的平面耿氏二极管3提供直流通路，同时在直流通路中抑制耿氏二极管振荡产生的输出射频信号传输，增强输出射频信号的输出功率。

[0042] 如图5所示，输入低通滤波器1上限截止频率为28GHz，通带内插入损耗为0.5dB,带外抑制为-30dB。滤波单元1-1的中央微带线由五节阶跃阻抗微带线1-1-1构成，且在结构中心水平线和垂直线处具有上下对称和左右对称特性，上端和下端的微带线宽10μm，长1060μm,最中间微带线宽40μm，长1180μm，靠近最中间微带线的两端微带线宽15μm，长60μm；滤波单元1-1的上端和下端地由“工”形微带线1-1-2构成，最下端的微带线宽10μm，长1060μm，中间的微带线宽15μm，长60μm，最上端的微带线为无限宽地平面，长度为1180μm，阶跃阻抗微带线1-1-1与“工”形微带线1-1-2的垂直间距为15μm。

[0043] 本发明中，输出插指耦合电容2下端金属臂与射频输出端口相连，其中上端金属臂有4插指微带线，下端金属臂有5插指微带线。如图6所示，输出插指耦合电容2的5个插指微带线宽度均为20μm，长度均为56μm；插指间的缝隙均为15μm，38GHz下输出插指耦合电容值为0.2pf。

[0044] 如图7和图8所示，具有热电子注入效应的平面耿氏二极管3在顶层阳极高掺杂层下插入一层50纳米AlxGa1-xAs的线性梯度掺杂本征势垒层，平面耿氏二极管的顶层阳极为双端口，其中一端与外加偏置电压相连，另一端与谐振器4相连，平面耿氏二极管的底层阴极与共面波导传输线两侧金属地相连，在共面波导传输线中央微带线与两端地之间形成耿氏二极管的直流电压偏置通路。

[0045] 平面耿氏二极管的顶层阳极为双端口，其中一端与外加偏置电压相连，另一端与谐振器4相连，平面耿氏二极管的底层阴极与共面波导传输线两侧金属地相连。所述具有热电子注入效应的平面耿氏二极管3的顶层阳极面积为30*40μm2，阳极和阴极的水平间距为5μm。耿氏二极管阳极接正偏置电压时，耿氏二极管呈现负微分电阻的阈值电压为3.8V，最大正向电流为225毫安。耿氏二极管阳极接负偏置电压时，耿氏二极管呈现负微分电阻的阈值电压为-4.5V，最大反向电流为135毫安，耿氏二极管的正反向电流具有反向不对称性。在顶层阳极高掺杂层下插入一层50纳米AlxGa1-xAs的线性梯度掺杂本征势垒层，引入热电子注入效应，减小负向偏置电压下的直流电流。顶层阳极接触金属通过一层Si4N3绝缘介质的爬坡平面工艺与引线PAD连接引出，避免了复杂的空气墙引线工艺，虽然Si4N3平面工艺的耿氏二极管存在寄生电容效应，但其寄生电容效应不影响其在38GHz的低频微波频段应用。耿氏二极管的具体制作方法可参照专利“一种耿氏二极管及其制备方法”，公告号CN102544113B。

[0046] 图9给出了具有热电子注入效应的平面耿氏二极管的直流电压-电流特性图，耿氏二极管阳极接正偏置电压时，耿氏二极管呈现负微分电阻的阈值电压为3.8V，最大正向电流为225毫安；耿氏二极管阳极接负偏置电压时，耿氏二极管呈现负微分电阻的阈值电压为-4.5V，最大反向电流为135毫安,远小于正向偏置电压下的电流，具有明显的热电子注入效应，可有效增强振荡器直流-射频的转换效率。

[0047] 本发明中，谐振器4由二分之一波长共面波导传输线4-1与中央水平线上下对称分布的两并联矩形折线绕线电感4-2级联构成。

[0048] 如图10所示，所述二分之一波长共面波导传输线4-1包括其中间波导和两侧导体地。二分之一波长共面波导传输线4-1长度为229μm，中间导体微带宽度为40μm，中间导体与两侧导体地的缝隙宽度为30μm；所述矩形折线绕线电感4-2的微带线宽度为12μm，绕线微带线圈的间距为16μm，最内圈的水平矩形微带线长424μm，矩形折线绕线电感圈数为2.5圈，38GHz下矩形折线绕线电感值为0.7nH。

[0049] 采用本发明的结构，直流偏置电压从直流偏置电压输入单元0的中间导体馈入，通过输入低通滤波器1的中央微带线和输出插指耦合电容2的上端金属臂与具有热电子注入效应的耿氏二极管3的顶层阳极一端连接馈入。

[0050] 如图11所示，本发明实例提供的输出射频信号频率和输出功率随偏置电压变化特性图，其中具有热电子注入效应的平面耿氏二极管工作在负向偏置电压下，当外加偏置电压等于负向阈值电压4.5V时，振荡器有稳定的射频振荡信号输出，其输出频率为37.65GHz，输出功率为-4dBm。本发明实施提供的振荡器，在负向偏置电压8V下，振荡器在38GHz处输出最大输出功率-2.78dBm，10KHz载波下的输出相位噪声为-93.5dBc/Hz，最大直流-射频转换效率为0.5％，电学性能优异。在阈值电压-4.5V-最大可承载负向偏置电压-10V范围内，基于平面耿氏二极管的ka波段单片集成压控振荡器的输出射频信号频率在37.65-38.25GHz频段变化，相应输出功率在-9dBm到-2.78dBm范围变化，输出射频信号频率的电压-频率调谐范围为600MHz。因整个单片微波集成电路键合在铜热板上，具有热电子注入效应的平面耿氏二极管大电流产生的器件热效应被铜板有效耗散，导热特性良好，未见芯片烧毁现象，器件可以有效、可靠工作。

[0051] 以上所述仅为本发明的优先实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种改变和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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