毫米波数控移相器的设计与制作

A bstract : PБайду номын сангаасase sh ifters is an i m portant c ircuit for T /R syste m s o f the m illi m eter w ave phased array radar. B ased on the Ag lient IC CAP and G a A s foundry process lin e , the test and mode ling techn iques for the G a A s sw itch dev ice and its applicat io n w ere stud ied . A Ka band 5 b it dig ita l phase sh ifterMM IC w as successfu lly fabricated usin g 0 15 m G aAs PHEMT process . T he desig n and process w ere illu strated , and the practica l test results were g iv en. A sw itch filter topo logy w as em ployed in the desig n o f the phase shifter . T he phase shifter w as m easured by on w afer m easure m ent system. It de m onstrates a m ax i m um RM S phase erro r of 5 , a nom in al IL o f 8 dB, a nom ina lVS W R of 2 over 34 GH z to 36 GH z bandw idth. T he chip size of th e phase shifter is 2 5 mm 1 5 mm 0 1 mm. K ey words : m illi m eter w ave ; sw itch ; phase shifter ; GaA s ; PHEMT EEACC: 1350 H
图 1 PHEM T 开关示意图 F ig 1 D iag ra m o f the PHEM T sw itch
修正。 1 3 移相器的设计 GaAsMM IC 数控移相 器的拓扑有开 关线、加 载线、开关滤波等多种结构, 其中开关滤波器结构 是 GaA s MM IC 数控移相器 普遍采用的结 构之一 , 本文在毫米波数控移相器的研制中也采用这一实现 方式。 180 , 90 和 45 移相单元移相网络采用图 3 所示 T 型高 /低通滤波网络。
基金项目 : 国家重点实验室资助项目 ( 9140C0610010905)
GaAs PH EMT 工艺的单片集成数控移相器具有体积 小、无功耗、性能稳定的优点。 T r i Q uint公司 2004 年 9 月 报 道 了一 款 5 位 毫 米 波 数 控 移相 器 ( TGP2102 EPU ), 插 入 损 耗 典 型 值 7 dB, 32~ [ 1] 37 GH z 频 率范围内 RMS 移相误差小于 5 。 2006 年 8 月 报 道 了 一 款 180 毫 米 波 数 控 移 相 器 ( TGP2104) , 插入损耗典型值 3 5 dB, 30~ 40 GH z 频率范围内移相误差小于 15 。 本文以 G a A s 0 15 m PHEMT 工艺平 台为基 础 , 概述了毫米波移相器的关键器件 PH EMT 开关 器件的版图设计及模型提取过程, 介绍了毫米波数 控移相器的设计方法 , 并给出了研制结果。
当材料结构、器件版图结构和工艺条件确定的 情况下, 提取单位栅宽参数 , 然后根据总栅宽与单 位栅宽参数的换算关系 , 便可得到不同栅指、栅宽 的器件模型参数 1 2
[ 3- 7]
。
PHE M T模型提取 提取模型采用安捷仑 IC CAP 软件, 基于器件
导通、关断状态 S 参数测量数据, 通过直接计算或 优化的方法提取全部模型参数。包含本征参数及寄 生参数 的 等效 电 路 模 型 如图 2 所 示, 其 中 C p s, C pd, L s, L d和 L f 为 器件 的寄生 电容 和寄 生电 感, R g为起栅极射频隔离作用的特定外接大电阻 , 器件 自身栅电阻很小 , 可 忽略。 R d s和 C g 在器件导 通、 关断时具有不同的阻值和容值, 本文测试提取的开
( 2)
-
Bn + 2 X n - B nX 2 1- B nX n
2 n
( 3) 保持相
当 X n和 B n两者都改变符号时 , 相位 高通网络之间切换引起的相移为 2 Bn+ 2 X n - B nX n - 1 ! = 2 tan 2 1- B nX n 移相器带宽可以通过考虑
1
同幅度而改变符 号, S 21幅度不 变。因此在 低通和
态时电阻 R ds为每毫米栅宽 1 22 , 关态时电阻 R ds 为每毫 米 栅宽 1 1 M , 关 态 电容 为 每毫 米 栅宽 0 29 pF。所有元件都表征为器件栅宽和栅指数的 函数, 便于电路的设计、优化、仿真。在器件版图 结构相同的情况下, R ds随着总栅宽的增加而减小 , C g 随着总栅宽的增加而变大, 开态时的 R d s和关态 时的 C g参数对开关器件的高频性能至关重要 , 提 取时需特别注意
2
DRC 等检查 , 提高设计成功率。 ( 1)
2 移相器制作
移相器设计完成后进行掩模版制作, 最后由中 国电 子 科 技集 团 公 司 第 十 三 研 究 所 4 英 寸 ( 100 mm ) GaA s 0 15 m PHEMT 工艺生产线进行 加工制作, 在圆片加工过程中采用了 PCM 工艺监 控技术 和 SPC 统 计 过 程 控制 技 术 , 保 证 了 高成 品率。 毫米波电路对工艺加工精度要求较高 , 需要对 薄膜电容氮化硅介质厚度、 T 型栅栅长、挖槽深度 等参数严加控制 , 采用电子束直写、选择性挖槽和 电子束蒸发等技术制作。螺旋电感内部端子引出和 电容上极板引出采用空气桥跨接方式 , 尽量减小寄 生参数影响。芯片背面大面积镀金, 正面采用打孔 到背面进行接地 , 减少电路寄生影响 , 又减小了布 线难度和复杂性。最后在芯片表面, 除输入 /输 出 微波压点及直流压点外覆盖氮化硅进行保护, 提高 芯片可靠性。
D esign and Fabrication of D igitalM illi m eter W ave Phase Shifters
W ang X iangw e,i Gao Xuebang, W u H ongjiang , L i Fuqiang
( The 13 th Research Institute, CETC, Shijiazhuang 050051 , China )
0 引言
毫米波系统相比微波系统, 具有设备小型化、 波束方向性强、频带宽的特点。可广泛用于大容量 及保密通信、雷达等领域, 随着毫米波技术的日趋 成熟 , 各种新的应用不断出现, 对毫米波产品的需 求也越加迫切。 数控移相器是毫米波相控阵雷达收发系统重要 电路 , 典型应用是通过改变信号相位实现电磁波空 间合成, 主要 采用 GaA s PHEMT 工 艺实现。采用
[ 4]
。
图 2 PHEM T 开关模型 F ig 2 M odel o f the PHEM T sw itch
器件建模需要进行大量的测试、统计工作 , 非 常繁琐 , 需要细心做好每一个细节, 并做好测试记 录
[ 4]
。在毫米波频 段必要时还需结 合电磁场仿真
方法, 分析开关器件开态、关态时空间电磁耦合的 影响。提取的模型参数必须经过统计确认后, 方可 带入电路设计中 , 日常工作中还需通过多种实际电 路进行不断验证 , 当工艺等条件改变时进行及时地
F ebruary 2011 图 3 T 型高通与低通 滤波网络 F ig 3 H igh and low pass filters Sem iconductor T echnology Vo l 36 N o 2
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王向玮
等 : 毫米波数控移相器的设计与制作
图 3 中所示网络归一化 ABCD 矩阵可写作 1- B nX n Bn j j( 2 X n - B nX n ) 1- B nX n
( 4)
2
和
随频率的变
1
化加以讨论。 T 型结构低通滤波器相位延迟
随
频率升高而增加, 而高通滤波器相位超前 2随频 率的升高而减小, 因此两个变化趋向互补, 从而可 以使 ! =
2
-
1
=
2
+
1
相对保持不变。
3 测试结果与讨论
K a波段 5 位数控移相器的芯片照片如图 5 所 示 , 微波信号的输入端设置在芯片的左边 , 输出端 设 置 在 芯 片 的 右 边, 直 流 控 制 端 ( 压 点 间 距 150 m ) 设置在芯片下方 , 输入 /输出均为共面波 导接口便于在片测试 , 芯片外形尺寸为 2 5 mm 1 5 mm 0 1 mm。
2011 年 2 月
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140 半导体技术第 36 卷第 2 期
王向 玮
等 : 毫米波数控移相器的设计与制作
1 移相器设计
PHEMT 开关器件模型是毫米波数控移相器设计 中的关键 , 单片电路规模越大, 指标和频段越高, 对器件模型要求越高, 准确的器件模型对提高设计 成功率、缩短研制周期非常重要。器件模型参数容 易受工艺条件、工艺设备及工艺流程差异的影响, 需要采用直流、微波测试技术和电磁场分析相结合 的方法进行建模。考虑到毫米波频段对性能指标、 工艺容差、加工成本等方面的要求, 在选取电路拓 扑结构时, 本文选用了开关滤波器结构进行设计。 这种结构工艺偏差对性能影响较小、设计简单、易 于调整, 另外这种结构驻波较好、易于级联、组合 态插入损耗幅度变化、相移误差较小、易于应用。 1 1 PHE M T开关器件的工作原理 器件工作在无源状态, 栅极外接射频隔离电阻 时, 栅对漏、源射频信号近似开路 , 开关器件可用 R, L, C 集总 元件表征。器件导通 时, 可看 作是 阻值很小的电阻, 如图 1 ( a) 所示; 器件关断时, 可看作阻值很大的电阻与容值很小的电容并联, 如 图 1 ( b) 所示。