基于GaAs MMIC工藝的單片均衡器設(shè)計(jì)

沈一鳴，張君直

（南京電子器件研究所，南京 210016）

基于GaAs MMIC工藝的單片均衡器設(shè)計(jì)

沈一鳴，張君直

（南京電子器件研究所，南京 210016）

幅度均衡器被廣泛應(yīng)用于各類微波組件，是其重要的組成部分。對定阻型的幅度均衡器設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，利用GaAs MMIC標(biāo)準(zhǔn)工藝制作了一款22～32 GHz單片幅度均衡器，該芯片尺寸為0.8 mm×0.7 mm×0.1 mm。經(jīng)裝架測試，在工作頻段實(shí)現(xiàn)5 dB的負(fù)斜率幅度均衡量，駐波良好，插損2.53 dB@32 GHz，基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

GaAs MMIC；定阻型；幅度均衡器

1 引言

隨著電子對抗技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代微波通信系統(tǒng)對于收發(fā)信機(jī)的帶內(nèi)平坦度要求越來越高；且收發(fā)信機(jī)朝著更輕、更小、可靠性更高的方向發(fā)展。由于微帶的色散效應(yīng)及有源器件的固有特性，在射頻及微波器件的工作頻段內(nèi)不可避免地存在增益波動，帶內(nèi)平坦度指標(biāo)一直是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個瓶頸所在[4]。

幅度均衡器是一種通過在頻段內(nèi)各個頻段的不同幅響，改善帶內(nèi)平坦度指標(biāo)的器件。傳統(tǒng)的微波頻段幅度均衡器通過分立的電阻、電容、電感（或微帶）組成均衡網(wǎng)絡(luò)，其缺點(diǎn)是體積大、一致性差、不適合大規(guī)模生產(chǎn)。利用GaAs MMIC（單片微波集成電路）技術(shù)制作的單片幅度均衡器利用標(biāo)準(zhǔn)的GaAs MMIC制造工藝，將分立器件和微帶小型化和高密度化。MMIC還具有非常好的一致性，特別適合微波收發(fā)組件使用，加上GaAs材料具有天然的抗輻射特性[3]，使得這類器件在軍事領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

2 電路結(jié)構(gòu)及原理

由于微帶的色散效應(yīng)存在，其幅度響應(yīng)與頻率呈正斜率關(guān)系。場效應(yīng)管的幅度響應(yīng)也隨頻率增高而降低，所以大部分收發(fā)系統(tǒng)在沒有進(jìn)行幅度均衡前的頻率響應(yīng)是正斜率的。為了使帶內(nèi)幅度趨于一致，幅度均衡器必須與頻率呈負(fù)斜率關(guān)系才能滿足要求。

本文設(shè)計(jì)的幅度均衡器從K波段至Ka波段，具體設(shè)計(jì)目標(biāo)為：頻率22～32 GHz，均衡幅度為4.5 dB負(fù)斜率，帶內(nèi)駐波<1.5:1，插損<3 dB@32 GHz。對于該頻段而言，MMIC的繞線電感有較大的寄生參數(shù)，品質(zhì)因素也降到很低，所以在拓?fù)渲杏梦Т妗Ｔ谠擃l段，元器件之間的耦合效應(yīng)增強(qiáng)，在版圖布局時也應(yīng)考慮到這一因素。幅度均衡器一般分為定阻型和非定阻型兩種結(jié)構(gòu)[1]，如圖1所示。

圖1 均衡器電路模型

非定阻型幅度均衡器結(jié)構(gòu)簡單、元器件較少、由版圖產(chǎn)生的寄生參量少，缺點(diǎn)是駐波較差，需要搭配衰減器來使用。定阻型的幅度均衡器結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，元器件較多，布版時應(yīng)進(jìn)行電磁場仿真來進(jìn)行版圖調(diào)整，以減小元器件間的相互干擾，但其優(yōu)點(diǎn)是帶內(nèi)駐波較好。由于MMIC制造工藝具有精度高、批量大的特點(diǎn)，兼顧設(shè)計(jì)指標(biāo)中駐波的設(shè)計(jì)要求，在實(shí)際中選用定阻型的電路結(jié)構(gòu)來進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。

3 電路設(shè)計(jì)及仿真

在頻率較高的幅度均衡器設(shè)計(jì)中，電感采用微帶線代替，電容和電阻就成了設(shè)計(jì)中比較關(guān)鍵的元器件，設(shè)計(jì)時應(yīng)對其模型進(jìn)行研究。

MMIC上的電容是MIM電容，通過兩層金屬加中間介質(zhì)形成的，設(shè)計(jì)使用的MMIC工藝，其制作的電容每平方毫米的電容量約250 pF，其等效模型如圖2所示。

圖2 MIM電容的等效模型

其中C1是主電容， Rcs、Lcs是由上電極長度、寬度引起的寄生電阻、寄生電感，Cc1、Cc2為兩層金屬與背面金屬之間產(chǎn)生的寄生電容，根據(jù)文獻(xiàn)[2]，并對以往該流片工藝實(shí)測結(jié)果進(jìn)行修正，令C1在32 GHz等于工藝庫中標(biāo)準(zhǔn)電容的容值，可有以下擬合結(jié)果：

其中，A為電容面積（單位為mm2），l為正方形電容邊長，Cc1、Cc2的不同是由電容結(jié)構(gòu)決定的，其中有空氣橋的一端會產(chǎn)生較大的寄生參數(shù)。C1的單位是pF，Cc1、Cc2的單位是fF，Lcs的單位是nH。

MMIC上的電阻是薄膜電阻，即TaN電阻，所用工藝的電阻方阻有12.5 Ω和25 Ω兩種，實(shí)際中采用的是后者，其等效模型如圖3所示。

其中R1是主電阻，Lrs是由電阻金屬的長度、寬度引起的寄生電感，Cr1、Cr2是由電阻金屬與背面金屬之間產(chǎn)生的寄生電容。根據(jù)文獻(xiàn)[2]，并對以往該流片工藝實(shí)測結(jié)果進(jìn)行修正，并令R1在32 GHz等于工藝庫中標(biāo)準(zhǔn)電阻的阻值，可有以下擬合結(jié)果：

圖3 薄膜電阻的等效模型

其中N是電阻的方塊數(shù)，Lrs的單位是nH，Cc1、Cc2的單位是fF。

將電容和電阻的等效模型帶入原理圖進(jìn)行仿真，最終的電路拓?fù)淙鐖D4。對各元器件的值進(jìn)行修改，直至達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的數(shù)據(jù)，再根據(jù)原理圖電路仿真的數(shù)據(jù)形成版圖。然后對版圖進(jìn)行三維電磁場仿真，參照結(jié)果對電路參數(shù)再進(jìn)行修正，使得前仿和后仿的結(jié)果盡可能接近。電路布局時，使左右電路盡可能對稱，這樣輸入輸出的駐波基本相當(dāng)。最后，將后仿的結(jié)果加上標(biāo)識、劃片槽等進(jìn)行流片。

4 測試結(jié)果

仿真后的均衡器版圖在NEDI 0.35 μm GaAs MMIC工藝線上采用標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行了流片，芯片尺寸為0.8 mm×0.7 mm×0.1 mm。之后進(jìn)行了裝架測試，將芯片高溫?zé)Y(jié)于無氧銅載體上，再將載體燒結(jié)在測試架上，盒體的其他電路采用Ro5880軟基板制作的50 Ω微帶線，與芯片用金絲相連，再將絕緣子焊接在5880上，外接2.92-K型頭進(jìn)行測試，測試架見圖5。測試結(jié)果見圖6。

圖4 幅度均衡器仿真原理圖

圖5 芯片測試架

圖6 幅度均衡器測試結(jié)果與仿真結(jié)果

實(shí)際測試的均衡幅度約5 dB，駐波比<1.6:1，插損2.53 dB@32 GHz，基本滿足使用要求。與仿真結(jié)果對比看，幅度響應(yīng)的趨勢基本一致，但插損略大，分析原因是與芯片制作工藝中的過腐蝕有關(guān)，即實(shí)際制作的芯片金屬層以及電阻的金屬層比仿真時要細(xì)，由式（1）～（6）可知，會造成電阻實(shí)際值偏大、電容值偏小、微帶線的寄生電阻偏大，由于擬合模型的時候是以32 GHz為準(zhǔn)，所以在32 GHz附近的插損與仿真較接近，而遠(yuǎn)離的部分則差距更大。此外由駐波圖可以看出，頻帶略向低端偏移，這是仿真軟件對K-Ka頻段微帶趨膚效應(yīng)的擬合不準(zhǔn)造成的。大部分無源電路的測試結(jié)果都是頻帶略偏低（不僅在GaAs MMIC上成立，在軟基板電路、陶瓷片電路中也是如此），符合預(yù)期。測試的駐波值遠(yuǎn)大于仿真值可能是由于采用的裝架測試，GaAs MMIC與5880的50 Ω微帶線由于尺寸相差達(dá)到約10倍產(chǎn)生的磁場突變效應(yīng)、金絲的電感影響等造成的。

5 結(jié)論

GaAs MMIC具有體積小、可靠性高、一致性好等特點(diǎn)，是現(xiàn)代主流的系統(tǒng)小型化設(shè)計(jì)手段。隨著其制造工藝的成熟與價格下降，越來越多的無源電路也可以并值得采用這種手段來實(shí)現(xiàn)。本文利用該技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一款定阻型單片幅度均衡器，該均衡器工作在22～32 GHz，可以實(shí)現(xiàn)5 dB負(fù)斜率的均衡度，駐波比<1.6:1，插損2.53 dB@32 GHz，芯片尺寸僅0.8 mm×0.7 mm×0.1 mm，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。該均衡器可以廣泛應(yīng)用于該頻段各類收發(fā)組件，用以改善系統(tǒng)帶內(nèi)波動，實(shí)現(xiàn)幅度均衡。文中的設(shè)計(jì)方法在其他頻段均衡器設(shè)計(jì)中也可以應(yīng)用，在各類小型化系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景和價值。

[1] 王鵬飛，陶業(yè)榮，宋慶輝. 基于LTCC技術(shù)的均衡器設(shè)計(jì)[J]. 無線電工程，2013, 43（7）.

[2] 申華軍，等. GaAs MMIC用無源元件的模型[J]. 2006, 27（10）.

[3] I D Robertson, S Lucyszyn. RFIC and MMIC design and technology [M]. London：The institution of Electrical Engineers.

[4] Mike Golio. RF and Microwave Semiconductor device Handbook [M]. CRC press.

Monolithic Equalizer Design Using GaAs MMIC Technology

SHEN Yiming, ZHANG Junzhi
（Nanjing Electronic Device Institute, Nanjing 210016, China）

Amplitude equalizer is widely used in many microwave modules, and it is one of the key proportions. A monolithic equalizer is proposed, which is fully analyzed, and then realized in GaAs MMIC standard technology. The working frequency is between 22 to 32 GHz. The size is 0.8 mm×0.7 mm×0.1 mm. Minus 5 dB slope, not bad SWR, and 2.53 insert loss @32 GHz is get, which meets the design targets.

GaAs MMIC; fixed-resistance structure; amplitude equalizer

TN402

A

1681-1070（2015）07-0017-03

沈一鳴（1983—），男，工程師，2008年起工作于南京電子器件研究所，主要研究方向?yàn)槲⒉ń邮諜C(jī)系統(tǒng)集成開發(fā)。

2015-03-20