CN101938259A

CN101938259A - 微波大功率，低限幅电平的砷化镓pin管限幅器单片电路

Info

Publication number: CN101938259A
Application number: CN2010102541511A
Authority: CN
Inventors: 陈新宇; 蒋东铭; 刘军霞
Original assignee: CETC 55 Research Institute
Current assignee: Nanjing GEC Electonics Co., Ltd.
Priority date: 2010-08-16
Filing date: 2010-08-16
Publication date: 2011-01-05

Abstract

本发明是微波大功率，低限幅电平的砷化镓(GaAs)PIN管限幅器单片电路，采用3级结构设计，第1级采用6个相同的GaAs PIN二极管的对管结构，其中3个砷化镓PIN二极管阴阳极相串联，阳极连接微波信号传输线，阴极连接地，另3个砷化镓PIN二极管阴阳极相串联，阴极连接微波信号传输线，阳极连接地；第2级和第3级采用相同的二极管的对管结构，其中1个砷化镓PIN二极管阳极连接微波信号传输线，阴极连接地；另1个砷化镓PIN二极管阴极连接微波信号传输线，阳极连接地。优点：单片限幅器的信号通过的功率大，泄露电平小。应用方便。可通过3英寸砷化镓PIN二极管单片工艺批量生产，一致性好，成本低。

Description

微波大功率，低限幅电平的砷化镓PIN管限幅器单片电路

技术领域

本发明是一种微波大功率、低限幅电平的砷化镓(GaAs)PIN管限幅器单片电路。采用3英寸GaAs pin二极管单片工艺，限幅器单片电路具有通过功率大，插入损耗小，应用频率高，泄露电平低，体积小，使用方便的特点。属于微波单片集成电路领域。

背景技术

在微波毫米波系统中，为防止接收机的前置低噪声放大器(LNA)被发射的泄露功率烧毁，需在低噪声放大器前面安置限幅器。见附图1。限幅器通常采用PIN二极管实现，通过控制PIN二极管的工作状态，在小功率微波信号时以较小的差损顺利，而通过高功率的微波信号时，则被衰减到较低的功率电平，这样可以有效地保护低噪声放大器(LNA)。

限幅器电路目前有两种形式，一种是采用分立的硅(si)材料的PIN二极管，采用混合电路的方式完成，其特点是体积大，插入损耗大，工作频带低。另一种是采用砷化镓(GaAs)集成电路工艺，限幅器单片具有体积小，插入损耗小，应用频率高，使用方便的特点。但通过的功率小。

砷化镓(GaAs)PIN二极管单片集成电路工艺和通常的砷化镓(GaAs)高电子迁移率赝配场效应晶体管(PHEMT)单片工艺截然不同，从材料结构到加工的工序和方法都存在较大的差异。因此在公开发表的文章中，针对GaAsPIN二极管单片电路工艺介绍十分简单。

单片限幅器电路及其加工工艺的设计需要结合电路拓扑结构，材料结构，PIN二极管工艺等等，这一切又和具体的GaAs单片加工线密切相关，无法从国内外公开发表的文献中复制，因此一方面增大了研究的难度，另一方面也说明本发明的独特性。

目前传统的砷化镓(GaAs)限幅器单片电路，其最大通过功率水平一般是5W，最大输出限幅电平约17dBm。随着微波系统的发展，要求限幅器通过功率不断增加，限幅电平不断减小。

发明内容

本发明提出的是一种微波大功率、低限幅电平的砷化镓(GaAs)PIN管限幅器单片电路，其目的旨在通过电路结构的设计，增加了功率容量，减小了限幅电平，满足了系统的要求。

本发明的技术解决方案：其特征是采用3级结构设计，限幅器单片电路第1级采用6个砷化镓(GaAs)PIN二极管的对管结构，其中3个砷化镓(GaAs)PIN二极管阴阳极相串联，阳极连接微波信号传输线，阴极连接地，另3个砷化镓(GaAs)PIN二极管阴阳极相串联，阴极连接微波信号传输线，阳极连接地；第1级的6个砷化镓(GaAs)PIN二极管，大小相同，结构相同；微波信号通过第1级时，当信号电压幅度小于砷化镓(GaAs)PIN二极管的开启电压，砷化镓(GaAs)PIN二极管不工作，接地的并联支路等效于一个并联电容，微波信号通过；当信号电压幅度大于砷化镓(GaAs)PIN二极管的开启电压，砷化镓(GaAs)PIN二极管导通，接地的并联支路等效于一个并联小电阻，微波信号通过电阻到地，大大减小了输出的信号功率；限幅器单片电路的第2级和第3级采用相同的二极管的对管结构，其中1个砷化镓(GaAs)PIN二极管阳极连接微波信号传输线，阴极连接地；另1个砷化镓(GaAs)PIN二极管阴极连接微波信号传输线，阳极连接地，当微波信号通过第2级和第3级，其工作原理同上，用于消除功率尖峰，进一步降低限幅电平。

本发明的限幅器单片电路的设计采用LC的滤波器结构，并联的二极管的结电容代替LC的滤波器结构中的并联电容，电感利用高阻的微带线替代；为了达到良好的输入、输出驻波特性，单片中采用了微带线匹配设计，通过CAD优化设计，保证在微波频带内，有较小的插损和驻波。

限幅器的芯片面积小，大小为1.7mm*0.78mm，厚100um。采用通孔接地，装配时用导电胶粘接或焊料烧结，压丝只需连接输入和输出端口，应用方便。

限幅器的典型参数(10GHz)：插入损耗小于0.5dB，连续波通过功率大于10w，泄露电平小于13dBm。

在工艺上，建立了3英寸的GaAs PIN二极管单片集成电路标准工艺，根据PIN二极管的特点，采用湿法腐蚀技术，完成PIN二极管的关键工艺加工。借鉴PHEMT的单片工艺，形成GaAs PIN二极管单片集成电路标准工艺。

首先形成PIN二极管阳极的金属化，然后湿法腐蚀二极管台面，再形成二极管阴极的金属化、完成台面隔离，介质保护，接下来进行微带线的光刻、金属化及剥离工艺，最后是背面通孔及金属化工艺。

本发明的优点：该单片电路一方面满足通讯系统大功率工作条件，有效的保护LNA，保证系统正常工作。另一方面具有体积小，插入损耗小，泄露功率小的特点。提高系统集成度，优化性能，降低系统的接收噪声。具体地说：信号通过的功率大，限幅器第一级采用6个PIN二极管的对管结构，提高了击穿电压，增大了功率容量。目前在10GHz可以通过连续波11w。国外的一些产品第一级采用2个PIN二极管的对管结构，其最大通过的连续波5w。限幅器的泄露电平小。限幅器采用3级结构，降低了限幅电平。最大限幅电平13dBm。芯片面积小，只有1.7mm*0.78mm。采用通孔接地，只需连接输入和输出端口，应用方便。

附图说明

附图1是本发明在微波通讯系统中的应用示意图。

附图2是本发明的电路结构示意图

附图3是本发明采用的GaAs PIN二极管的纵向结构示意图

附图4是本发明采用的GaAs PIN二极管的平面结构示意图

附图5是本发明的外形结构尺寸图。(单位：um)

附图6是本发明的芯片压丝示意图

具体实施方式：

对照附图1，其结构是信号编码处理器的信号输出端与功率放大器的信号输入端相接，功率放大器的信号输出端与环行器的信号输入端相接，环行器的第一信号输出端与天线的信号输入端相接，环行器的第二信号输出与限幅器的信号输入端相接，限幅器的信号输出端与低噪声放大器的信号输入端相接，低噪声放大器的信号输出端与信号编码处理器的信号输入端相接。

基带信号经过信号编码处理后，通过发射支路，由功率放大器放大，再经过环形器后通过天线发射出去。接收信号由天线输入经过环形器进入限幅器，再经低噪放放大后进入接收处理单元进行解码处理。限幅器单片电路在这种应用方式中的工作模式是：发射状态时，由于环行器的隔离度有限，因此部分信号功率泄露到限幅器的输入端，特别是发射功率比较大时，限幅器的输入功率就越大。通常低噪声放大器的最大输入功率在17dBm或更小。因此需要限幅器有较小的限幅电平。在接收状态，接收的信号经环行器到达限幅器，因为接收信号的功率非常小，因此限幅器电路中的二极管不开启工作，限幅器呈导通态。接收信号到达低噪声放大器。另外在天线失配等异常情况，发射功率可能直接输入限幅器，因此限幅器需要大的承受功率能力，才能保护低噪声放大器不损坏。

对照附图2，限幅器单片电路采用3级结构设计，限幅器单片电路第一级采用6个PIN二极管的对管结构，其中3个PIN二极管阴阳极相串联，阳极连接微波信号传输线，阴极连接地，另3个PIN二极管阴阳极相串联，阴极连接微波信号传输线，阳极连接地；第1级的6个PIN1二极管，大小相同，结构相同；微波信号通过第1级时，当信号电压幅度小于PIN二极管的开启电压，PIN二极管不工作，接地的并联支路等效于一个并联电容，微波信号通过；当信号电压幅度大于PIN二极管的开启电压，PIN二极管导通，接地的并联支路等效于一个并联小电阻，微波信号通过电阻到地，大大减小了输出的信号功率。

限幅器单片电路的第2级和第3级采用相同的二极管的对管结构，其中1个PIN2二极管和PIN3二极管阳极连接微波信号传输线，阴极连接地；另1个PIN2二极管和PIN3二极管阴极连接微波信号传输线，阳极连接地。当微波信号通过第2级和第3级，其工作原理同上，用于消除功率尖峰，进一步降低限幅电平。

调节微带线L1，L2，L3，L4的宽度和长度，可以优化限幅器电路的微波S参数，以达到设计要求。

对照附图3，是PIN二极管的纵向结构示意图。采用MOCVD或MBE技术，在GaAs园片中形成PIN二极管的材料层结构，包括P型GaAs层、不掺杂的GaAs层、N型GaAs层和绝缘的GaAs层。

通过GaAs PIN二极管的单片工艺，完成台面腐蚀，形成独立的P型GaAs层台面，并分别在P型GaAs层上形成阳极电极，N型GaAs层上形成阴极电极。然后进行器件的隔离工艺，腐蚀掉无用区域。最后在绝缘的GaAs层形成阴极引出线、阳极引出线、微带线和压点。

对照附图4，是PIN二极管的平面结构示意图。阳极电极采用圆形结构，工艺简单，阳极电极的大小决定了PIN二极管的面积，二极管的结电容，是设计的关键参数。阴极采用半圆形的环绕结构，保证电场分布均匀，可以提高可靠性。

对照附图5，是PIN限幅器单片的芯片大小及压点位置。单片长1700um，宽780um。厚度：100um。图中标示了输入端压点和输出端压点的位置，同时单片上有文字标示，IN表示输入端，OUT表示输出端。

对照附图6，是限幅器单片的装配示意图。芯片可以采用焊料烧结，也可采用导电胶粘接。一般采用焊料烧结的散热效果好。输入端压点和输出端压点，采用金丝和外部微带线连接，推荐采用两根金丝连接。装配时限幅器的输入端必须对应信号的传输方向。

实施例：

a)GaAs PIN二极管的设计。

首先确定GaAs PIN二极管的模型参数，包括GaAs PIN二极管的结电容，击穿电压，导通电阻等参数。根据限幅器的性能要求，选择不同的二极管PIN1，PIN2，PIN3。并确定其最小面积。GaAs PIN二极管的平面图形可以是圆形，也可以是其它形状。如图4所示，则确定其最小图形半径(图4中阳极的半径)。

b)GaAs PIN二极管限幅器的设计。

根据图2的电路结构原理，进行微波CAD仿真，选择二极管的结电容，调节微带线L1，L2，L3，L4的宽度和长度，优化限幅器电路的微波S参数，以达到设计要求。最后根据电路原理进行版图布局。

PIN1二极管：阳极半径21.5um，

PIN2二极管：阳极半径13um，

PIN3二极管：阳极半径13um，

微带线L1：宽15um，长200um

微带线L2：宽15um，长1200um

微带线L3：宽15um，长1200um

微带线L4：宽15um，长200um

压点PAD1：宽80um，长100um

压点PAD2：宽80um，长100um

按上述要求完成电路拓扑结构。

Claims

1.微波大功率，低限幅电平的砷化镓PIN管限幅器单片电路，其特征是采用3级结构设计，限幅器单片电路第1级采用6个砷化镓PIN二极管的对管结构，其中3个砷化镓PIN二极管阴阳极相串联，阳极连接微波信号传输线，阴极连接地，另3个砷化镓PIN二极管阴阳极相串联，阴极连接微波信号传输线，阳极连接地；第1级的6个砷化镓PIN二极管，大小相同，结构相同；微波信号通过第1级时，当信号电压幅度小于砷化镓PIN二极管的开启电压，砷化镓PIN二极管不工作，接地的并联支路等效于一个并联电容，微波信号通过；当信号电压幅度大于砷化镓PIN二极管的开启电压，砷化镓PIN二极管导通，接地的并联支路等效于一个并联小电阻，微波信号通过电阻到地，大大减小了输出的信号功率；限幅器单片电路的第2级和第3级采用相同的二极管的对管结构，其中1个砷化镓PIN二极管阳极连接微波信号传输线，阴极连接地；另1个砷化镓PIN二极管阴极连接微波信号传输线，阳极连接地，当微波信号通过第2级和第3级，其工作原理同上，用于消除功率尖峰，进一步降低限幅电平。

2.根据权利要求1所述的微波大功率，低限幅电平的砷化镓PIN管限幅器单片电路，其特征是限幅器单片电路的设计采用LC的滤波器结构，并联的二极管的结电容代替LC的滤波器结构中的并联电容，电感利用高阻的微带线替代。