基于MEMS加工工藝的亞毫米波肖特基單端混頻器

錢嵩松, 陳和峰, 趙 蕓

(1.南京理工大學(xué),江蘇南京210094;2.304廠,山西長治046012)

0 引言

混頻器是現(xiàn)代雷達、通信系統(tǒng)中的重要組成部件之一。從國外的發(fā)展形勢看,自上世紀九十年代起,亞毫米波混頻器即已逐漸成為研究熱點,進入本世紀以來,亞毫米波混頻器更是得到了很大的發(fā)展。

例如,1997年 Hesler等人研制出基于肖特基管的亞毫米波混頻器,在 585 GH z時由1.16mW本振功率驅(qū)動得到的雙邊帶系統(tǒng)噪聲為2 380 K[1]。2006年,Siles等人研制出了一個基于一對反向并聯(lián)肖特基二極管的400 GHz混頻器,并建立了一套用于仿真優(yōu)化毫米波、亞毫米波混頻器設(shè)計的CAD工具[2]。2009年,Bertand Thomas和Sim on Rea等人研制出(320～340)GH z的分諧波鏡像抑制混頻器,在通帶范圍內(nèi)鏡像抑制度達到(7.2～24.1)dB[3]。

國內(nèi)目前在35 GH z頻段已有一些成熟的產(chǎn)品,在94 GH z頻段也正在大力發(fā)展之中,而亞毫米波頻段的混頻器才起步。本文介紹一種亞毫米肖特基單端混頻器的設(shè)計與制作。

1 混頻器設(shè)計

本文介紹的亞毫米波混頻器是基于肖特基混頻管的,因此主要的設(shè)計理論與方法與微波毫米波混頻器是一致的。設(shè)計過程涉及五個方面[4]:

a)RF輸入阻抗;

b)IF輸出阻抗;

c)LO輸入阻抗;

d)帶外閑頻的最佳端接阻抗;

e)各端口間的隔離度。

1.1 設(shè)計參數(shù)

所設(shè)計的亞毫米波混頻器工作頻率為360 GH z,中頻帶寬(2～6)GHz。設(shè)計變頻損耗小于18 dB。

設(shè)計混頻器的第一點考慮是混頻管的選擇,通常是要求其截止頻率為工作頻率的十倍以上。當前所能獲得的可能工作頻率最高的二極管截止頻率大約只有1 500GHz,其它主要參數(shù):反向飽和電流 Is=0.1 pA;二極管理想因子 η=1.15;零偏結(jié)電容C j0=40 fF;內(nèi)建電勢 φbj=1 V。

由于亞毫米波能量的微弱性,要求混頻電路的基片必須是低損耗的,此外也要求其介電常數(shù)較為穩(wěn)定。結(jié)合加工單位方面的工藝水平,最后選用的材料相對介電常數(shù)為3.4,損耗角正切為0.001,基片厚為50μm。

1.2 設(shè)計過程

混頻器采用基波混頻方案?，F(xiàn)有的亞毫米波源的輸出功率僅為-3 dBm左右,不能驅(qū)動多管混頻器,因此采用單管混頻。即便如此,這個輸入本振功率也仍然難以保證穩(wěn)定驅(qū)動混頻管,因此必須加上一個直流偏置電路。

對于通常的單管混頻器而言,一個重要的組成部分是本振與信號的耦合電路,耦合電路既要保證本振與信號能量最大幅度的加在混頻管上,又要確保兩者之間有良好的隔離度。本混頻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計使本振與信號已在同一波導(dǎo)中了,因此并不需要設(shè)計耦合電路。360 GH z混頻器方案,如圖1所示。

圖1 360 GH z單端混頻器

為將RF及LO信號引入混頻腔體采用H面波導(dǎo)-微帶過渡。微帶線平面與波導(dǎo)入射電磁波的傳播方向垂直,通過探針把波導(dǎo)中的電場耦合到微帶線上去,耦合孔開在波導(dǎo)寬邊,為了減少微帶線對波導(dǎo)內(nèi)部電場的影響,耦合孔的大小要盡可能小,但應(yīng)確保微帶線的寬度。

本設(shè)計中的耦合孔大小為0.3 mm×0.2 mm。微帶線厚度是0.01 mm,而其寬度則需優(yōu)化選擇。由于中心頻率已經(jīng)處于亞毫米波段,在絕對帶寬完全可以保證的情況下,探針直接連接到50Ω微帶線。最終由HFSS軟件仿真得到在中心頻率處的回波損耗達到20 dB,可以滿足設(shè)計要求。

從中頻低通濾波器來的負載端輸出中頻信號。采用六節(jié)巴特沃茲型低通濾波器,截止頻率為20 GHz,這種濾波器結(jié)構(gòu)簡單,容易實現(xiàn)。由于考慮到加工精度的原因,取高阻抗線為90Ω,低阻抗線為20Ω。

仿真結(jié)果表明,低通濾波器在中頻信號處的回波損耗達到18 dB,對(30～50)GHz的抑制度達20 dB以上,在保證通帶低插損的情況下,具有很好的帶外抑制。

由于本振功率難以驅(qū)動二極管,需要設(shè)計直流偏置電路。為了簡化電路尺寸,方便加工,同樣采用高低阻抗線串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明,在中心頻率處的插入損耗達到25 dB以上。

由于二極管在信號功率的激勵下呈現(xiàn)的阻抗并不是50Ω,需要阻抗匹配。匹配網(wǎng)絡(luò)應(yīng)在工作頻段內(nèi)保證無損耗地傳輸功率,在工作頻段外保證功率全反射。

因此,匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計目標是在負載終端功率最大程度地吸收,盡可能減少信號功率在傳輸過程中損耗?，F(xiàn)將混頻器各個分部在HFSS中分別仿真得到相應(yīng)參數(shù)后,將其打包成s2p文件,結(jié)合混頻二極管的參數(shù),在ADS中進行總體仿真優(yōu)化。最終得到優(yōu)化后變頻損耗隨中頻頻率變化的曲線,如圖2所示。

圖2 仿真變頻損耗

由圖2可以看出:在中頻(2～6)GH z范圍內(nèi),變頻損耗在(15～17)dB之間,最優(yōu)處達到 15 dB,滿足設(shè)計要求。

2 混頻器加工

由于本混頻器工作頻率非常高,因此微帶電路的相應(yīng)尺寸也非常小,最細處僅0.02 mm,而整個微帶電路的厚度也只有0.01 mm。針對這種精度的設(shè)計,通常用于微波乃至毫米波電路的腐蝕加工方法已不能滿足要求。

為此本項目開發(fā)了一種以MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)的新型微帶線加工工藝,涉及的基本工藝包括濺射、圖形化、電鍍、器件釋放等。此處,還需進行多層結(jié)構(gòu)之間的結(jié)合力、正負膠疊層技術(shù)、犧牲層技術(shù)、多層釋放技術(shù)等問題進行了較為深刻的研究,選用合適的材料,并確定了合適的工藝參數(shù)。

根據(jù)亞毫米波混頻器的設(shè)計情況,器件為三層結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)分別為金屬接地層-介質(zhì)層-微帶層,如圖3所示。

圖3 微帶線結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)實際情況,工藝流程設(shè)計如圖4所示:

a)對玻璃基片進行清洗、烘干;

b)制備犧牲層,涂覆5μm厚的正膠;

c)濺射種子層Cr/Cu,約1100埃;

d)制備金屬接地層,涂膠、光刻、電鍍鎳10 um厚;

e)濺射金屬保護層Cu,1000埃,制備這層金屬層的目的是保證在Su-8膠顯影時不會對正膠造成腐蝕;

f)制備介質(zhì)層,疊層旋涂Su-8膠30 um厚;

g)濺射種子層Cr/Cu,約1100埃;

h)微帶層的制備,涂膠、光刻、電鑄鎳/金,共厚10 um。

完成上述流程之后,再進行自上而下逐層溶解的方法來進行器件釋放。

混頻器的機械腔體由于結(jié)構(gòu)尺寸微小難以加工。最細小的孔尺寸為0.6×0.28 mm2,針對這種結(jié)構(gòu),最終采用分割部件進行線切割的方法加工。

根據(jù)上述設(shè)計及加工工藝,最終得到的360 GH z混頻器電路基片如圖5所示,而整體器件如圖6所示,二極管及中頻輸出、直流偏置均由金絲點焊連接。

圖4 工藝流程圖

圖5 360 GHz混頻器電路基片

圖6 360 GHz混頻器整體器件

目前國內(nèi)還沒有能進行亞毫米波混頻器的測試手段,因此暫不能對混頻器的性能進行實際測量。但本項目中同時也在進行其它亞毫米波器件的設(shè)計加工,總體方案是構(gòu)建一個完整的亞毫米波探測系統(tǒng),先在總體上進行實驗,待條件成熟再逐步優(yōu)化各部件設(shè)計。

3 結(jié)論

借鑒了成熟的毫米波混頻器的設(shè)計方法,并基于MEMS加工技術(shù),完成了一個肖特基亞毫米波混頻器設(shè)計及加工。由于該混頻器是常溫工

作,不需要杜瓦瓶制冷,因此結(jié)構(gòu)很緊湊,有望在需要小型化工作的地方獲得很好的應(yīng)用。

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