CN102545784A - 一种复合左右手非线性传输线微波倍频电路及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合左右手非线性传输线微波倍频电路及其制作方法，属于微波电路技术领域。一种复合左右手非线性传输线微波倍频电路由5节复合左右手非线性传输线单元串联构成，每节复合左右手非线性传输线单元分别由两个串联的相同肖特基二极管、一个与肖特基二极管并联的矩形绕线电感和对称分布在矩形绕线电感两边的两根相同的传输线组成。该倍频电路靠近输入端和输出端的肖特基二极管还可以用隔直电容取代。本发明提供的复合左右手非线性传输线微波倍频电路，优化了电路结构，简化了外围偏置电路，缩小了体积；本发明提供的倍频电路的制作方法，简化相应电路制作工艺，以改善倍频电路的谐波输出功率，增加谐波转化效率，增强谐波输出纯度。

Description

一种复合左右手非线性传输线微波倍频电路及其制作方法

技术领域

本发明涉及微电子中微波电路技术领域，尤其涉及一种基于平面肖特基二极管的复合左右手非线性传输线微波倍频电路及其制作方法。

背景技术

随着系统工作频率向微波高端、毫米波和太赫兹频段延伸，要求频率越来越高，由于受器件、输出功率等因素的影响，基波很难在这些频段上满足系统的电性能指标，需对输入基波信号进行整数倍的频率倍增，将频率扩展到微波、毫米波高端甚至太赫兹波，这样对微波和毫米波发射机和接收机、通信、电子战、雷达等领域具有重要意义。

肖特基二极管的肖特基结电容随外加偏置电压非线性变化，因寄生串联电阻小，具有极高的截止频率，在毫米波或亚毫米波频段，以肖特基非线性电容为基础的倍频器可以有效获取所需谐波输出功率。肖特基二极管在大正向偏置电压时有很大的结电容，等效为一个大电容，呈现低阻抗，近似短路；而反向偏置电压时近似为一个小电容，呈现高阻抗，近似开路，使得基于肖特基二极管的倍频电路消耗功率很低，得到广泛应用。

复合左右手传输线是一种人工合成的非线性传输媒质，具有负的折射率(ε)、磁导率(μ)和负的折射率，电磁波在其中传播时，波矢方向和能流方向相反(即具有负的相速度和正的群速度)的特性，电场强度E、磁场强度H和波矢K满足左手螺旋法则，表现出奇异色的散特性。典型的复合左右手传输线由串联的电容、微带线和并联的电感级联而成，其简化电路模型为串联电容和并联电感，电学上表现为高通电路，适于应用在高频电路中，同时其制作工艺与单片微波集成电路工艺兼容，因此广泛应用于射频、微波和毫米波领域，随着微电子工艺的不断发展，该结构逐步扩展到THz领域。

将复合左右手传输线中的固定电容变为肖特基二极管，构成复合左右手非线性传输线。利用复合左右手传输线奇异的色散特性和电学上的高通相应特性，以及肖特基二极管超高频下的非线性特性，可以在微波、毫米波高端甚至太赫兹波频段倍频电路中得到广泛应用。

通常情况下，基于复合左右手非线性传输线的倍频电路，设计上使用微带线传输线结构，制作上采用混合电路制作工艺。该结构电路存在以下固定缺陷：需采用过孔和背金工艺；分别将肖特基二极管和电感倒扣和表贴在高频基板上；需要为肖特基二极管提供偏置电路；常常伴随着产生大量杂散波，进而产生的杂散波的谐波也出现在谐波中，得不到纯净的谐波信号；谐波随肖特基二极管外加偏置电压影响较大，有时得不到谐波输出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合左右手非线性传输线微波倍频电路，优化了电路结构，简化了外围偏置电路。

本发明的另一目的在于提供一种复合左右手非线性传输线微波倍频电路的制作方法，简化电路制作工艺。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种复合左右手非线性传输线微波倍频电路，所述倍频电路由5节复合左右手非线性传输线单元串联构成，每节复合左右手非线性传输线单元分别由两个串联的相同肖特基二极管、一个与肖特基二极管并联的矩形绕线电感和对称分布在所述矩形绕线电感两边的两根相同的传输线组成。

上述方案中，所述第一节复合左右手非线性传输线单元中的肖特基二极管D0由隔直电容C1取代，所述第五节复合左右手非线性传输线单元中的肖特基二极管D5由隔直电容C2取代。

上述方案中，每节复合左右手非线性传输线单元中，所述矩形绕线电感的几何尺寸为：矩形内圈半径40微米，矩形绕线宽10um；矩形绕线间距10微米，矩形绕线3圈半，对应电感值为2.9nH。

上述方案中，每节复合左右手非线性传输线单元中，所述两段相同的传输线采用共面波导传输线组态，制作在350微米的砷化镓衬底上，其几何尺寸为：中间信号线宽83微米，中间信号线距信号线两边共面地的间距为290微米，两段共面波导传输线共长930微米。

上述方案中，所述第一节复合左右手非线性传输线单元中的隔直电容C1和第五节复合左右手非线性传输线单元中的隔直电容C2，采用微波集成电路制作工艺，电容值为0.25pF。

一种复合左右手非线性传输线微波倍频电路的制作方法，包括如下步骤：

A、在半绝缘的砷化镓(GaAs)衬底上外延生长N⁺层；

B、在N⁺层上外延生长N^-有源层；

C、采用湿法腐蚀刻蚀N^-层，在N⁺层上形成台面结构；

D、在N⁺层上蒸发金属形成肖特基二极管的下电极；

E、采用低温合金方法，在N⁺层形成欧姆接触；

F、在N^-层上蒸发金属形成肖特基接触的上电极；

G、采用湿法腐蚀刻蚀N⁺层，形成器件之间的电学隔离；

H、蒸发形成一次布线金属；

I、在外延片上沉积一层Si₃N₄，采用干法刻蚀在Si₃N₄表面刻孔，打开电极引线窗口；

J、电镀形成二次布线金属。

上述方案中，所述步骤A中N⁺层的厚度为1微米，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3。

上述方案中，所述步骤B中N^-有源层的厚度为0.6微米、掺杂浓度为5×10¹⁶cm^-3。

上述方案中，所述步骤H中蒸发的一次布线金属为隔直电容和矩形绕线电感的下电极；

上述方案中，所述步骤J中电镀的二次布线金属为隔直电容、矩形绕线电感的上电极和共面波导传输线。

与现有技术相比，本发明采用的技术方案产生的有益效果如下：

本发明提供的复合左右手非线性传输线微波倍频电路，优化了电路结构，简化了外围偏置电路，缩小了体积；本发明提供的复合左右手非线性传输线微波倍频电路的制作方法，简化相应电路制作工艺，以改善倍频电路的谐波输出功率，增加谐波转化效率，增强谐波输出纯度等特性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的复合左右手非线性传输线微波倍频电路的结构示意图；

图2为本发明另一实施例提供的复合左右手非线性传输线微波倍频电路的结构示意图；

图3为本发明实施例中第二节复合左右手非线性传输线单元的结构示意图；

图4为本发明实施例中肖特基二极管C-V特性曲线图；

图5为本发明实施例中肖特基二极管I-V特性曲线图；

图6为本发明实施例中矩形绕线电感结构图；

图7为本发明实施例中隔直电容结构图；

图8为本发明实施例提供的复合左右手非线性传输线微波倍频电路的色散特性曲线图；

图9为本发明实施例提供的复合左右手非线性传输线微波倍频电路的S₂₁参数图；

图10为本发明实施例提供的复合左右手非线性传输线微波倍频电路的S₁₁参数图；

图11为本发明实施例提供的复合左右手非线性传输线微波倍频电路的谐波输出频谱图；

图12为本发明实施例提供的复合左右手非线性传输线微波倍频电路制作方法的流程图；

图13为本发明实施例提供的复合左右手非线性传输线微波倍频电路的芯片版图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供一种复合左右手非线性传输线微波倍频电路，该电路可由5节复合左右手非线性传输线单元串联构成，每节复合左右手非线性传输线单元可由两个串联的相同肖特基二极管和一个与肖特基二极管并联的矩形绕线电感组成，长度相等的共面波导传输线和对称地分布在矩形绕线电感两边，如图3所示。由图2中可以看出，每节复合左右手非线性传输线单元之间可共用一个肖特基二极管。

如图2所示，图2是本发明另一实施例提供的复合左右手非线性传输线微波倍频电路的结构示意图，5节复合左右手非线性传输线中，第一节复合左右手非线性传输线中的肖特基二极管D0可由隔直电容C1取代，第五节复合左右手非线性传输线中的肖特基二极管D5可由隔直电容C2取代。

如图4所示，图4为本发明实施例提供的复合左右手非线性传输线微波倍频电路中肖特基二极管C-V特性曲线，从图中可以看出在-10V到0.6V间，肖特基二极管的最大电容比达5.4，该肖特基二极管是一种理想的非线性变容元件。

如图5所示，图5为本发明实施例提供的复合左右手非线性传输线微波倍频电路中肖特基二极管I-V特性曲线，从图中可以看出在-10V到0.6V间，在大正向偏置电压下，电流很大，对应极小的非线性电阻，在负的反向偏置电压下，电流很小，对应极大地非线性电阻，等效为开路。

如图6所示，图6为与每节复合左右手非线性传输线单元中的矩形绕线电感制作相一致的版图，矩形绕线线圈几何尺寸为：矩形内圈半径R为40微米，矩形绕线宽W为0um，矩形绕线间距S为10微米，矩形绕线3圈半，下底面下穿线圈为10微米×90微米的矩形，两个刻孔尺寸为8微米×8的矩形，对应电感值为2.9nH。

每节复合左右手非线性传输线中，两段相同传输线和采用共面波导传输线组态，制作在350微米的砷化镓衬底上，其几何尺寸为：中间信号线宽83微米，中间信号线距信号线两边共面地的间距为290微米，两段共面波导传输线共长930微米，对应的特征阻抗为75Ω。

第一节复合左右手非线性传输线单元中的隔直电容C1和第五节复合左右手非线性传输线单元中的隔直电容C2，采用微波集成电路制作工艺，电容值为0.25pF，如图7所示，图7为与两个隔直电容制作相一致的版图，电容的下底面PAD为60微米×32微米的矩形，电容上表面PAD和连接线为43微米×30微米的矩形，电容连接线为22微米×30微米的矩形，两个刻孔尺寸为8微米×8微米的矩形，对应电容值为0.25pF。

如图8所示，图8为本发明实施例提供的复合左右手非线性传输线微波倍频电路对应的色散特性曲线，在整个频段内表现为一个左手低频阻带(截止频率为f1)，一个右手高频阻带和一个位于频率f2和f3间的阻带。特征频率f1、f2和f3分别由复合左右手非线性传输线的元件值决定，他们分别满足：

$f_1=\frac{1}{4\mathrm{\π}\sqrt{L_0{C}_0}},$ $f_2=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{LC}}_0}},$ $f_3=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_{0}C}}$

其中L和C是长度为d的共面波导传输线等效分布电感和电容值，C₀和L₀是复合左右手非线性传输线中的串联电容值和并联电感值。因此复合左右手非线性传输线表现出下限截止频率可调的高通滤波特性，且该高通滤波响应中存在一个位于f₂和f₃间的阻带，当L₀C＝C₀L时阻带可以被消除。当复合左右手非线性传输线用作倍频电路时，产生的谐波应避免出现在f₂到f₃的阻带间，导致谐波信号输出功率的严重衰减，应使谐波出现在复合左右手非线性传输线的通带中。因此通过调整并联电感和串联电容值，以及共面波导传输线参数，可以设计满足要求的谐波电路。

如图9和图10所示，图9、图10分别为本发明实施例提供的复合左右手非线性传输线微波倍频电路对应测量S₂₁和S₁₁曲线图，由S₂₁可知：在整个频带内表现为一个左手低频阻带(截止频率为f₁)，一个右手高频阻带(上限截止频率高于最高测试频率40GHz，因此在0-40GHz频段内未出现)和一个阻带，与理论色散特性一致。

如图11所示，图11为本发明实施例提供的一种复合左右手非线性传输线微波倍频电路的谐波输出频谱图，输入基波信号频率为13GHz，输入功率为20dBm，可见本发明中复合左右手非线性传输线微波倍频电路，可以输出纯净的二次谐波，而且输出谐波功率达11dBm，相应二次谐波转换效率高达11％。

如图12所示，图12为本发明实施例提供的一种复合左右手非线性传输线微波倍频电路的制作方法流程图，该方法是与本发明提供的倍频电路结构相适应的电路制造工艺。基于此制作方法制作出的外延片，制作出的复合左右手非线性传输线微波倍频电路具有良好的性能，制作外延片的方法具体包括以下步骤：

步骤101：在半绝缘的砷化镓(GaAs)衬底上外延生长1微米、掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3的N⁺层；

步骤102：在N⁺层上外延生长0.6微米、掺杂浓度为5×10¹⁶cm^-3的N^-有源层；

步骤103：采用湿法腐蚀刻蚀N^-层，在N⁺层上形成台面结构；

步骤104：在N⁺层上蒸发金属形成肖特基二极管的下电极；

步骤105：采用低温合金方法，在N⁺层形成欧姆接触；

步骤106：在N^-层上蒸发金属形成肖特基接触的上电极；

步骤107：采用湿法腐蚀刻蚀N⁺层，形成器件之间的电学隔离；

步骤108：蒸发形成一次布线金属，形成隔直电容和矩形绕线电感的下电极；

步骤109：在外延片上沉积一层Si₃N₄，采用干法刻蚀在Si₃N₄表面刻孔，打开电极引线窗口；

步骤110：电镀形成二次布线金属，形成隔直电容、矩形绕线电感的上电极和共面波导传输线以及连接线图形。

上述制作方法与复合左右手非线性传输线微波倍频电路结构相适应，流程简单，可操作性强，适宜批量生产。

关于本发明提供的一种复合左右手非线性传输线微波倍频电路，还可以参照图13，图13为本发明提供的一种制作复合左右手非线性传输线微波倍频电路的芯片版图。

本发明采用共面波导传输线的平面结构，避免了复杂的过孔和背金制作工艺。本发明中肖特基二极管和矩形绕线电感采用了单片微波集成电路制作工艺，省略了倒扣和贴片制作工艺，避免了恶化倍频电路性能的寄生电抗效应；同时本发明中的肖特基二极管通过两相邻接地电感构成自偏置结构，无需偏置电路，简化了倍频器结构，缩小了体积。

本发明提供的复合左右手非线性传输线微波倍频电路，电路匹配容易，只需通过调整矩形绕线电感值、肖特基有源区面积和传输线特征尺寸参数，即可实现与负载和信号源之间的匹配。

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

Claims (10)

1.一种复合左右手非线性传输线微波倍频电路，其特征在于：所述倍频电路由5节复合左右手非线性传输线单元串联构成，每节复合左右手非线性传输线单元分别由两个串联的相同肖特基二极管、一个与肖特基二极管并联的矩形绕线电感和对称分布在所述矩形绕线电感两边的两根相同的传输线组成。

2.如权利要求1所述的复合左右手非线性传输线微波倍频电路，其特征在于：所述5节复合左右手非线性传输线单元中，第一节复合左右手非线性传输线单元中的肖特基二极管D0由隔直电容C1取代，所述第五节复合左右手非线性传输线单元中的肖特基二极管D5由隔直电容C2取代。

3.如权利要求1或2所述的复合左右手非线性传输线微波倍频电路，其特征在于：所述每节复合左右手非线性传输线单元中，所述矩形绕线电感的几何尺寸为：矩形内圈半径40微米，矩形绕线宽10um；矩形绕线间距10微米，矩形绕线3圈半，对应电感值为2.9nH。

4.如权利要求1或2所述的复合左右手非线性传输线微波倍频电路，其特征在于：所述每节复合左右手非线性传输线单元中, 所述两段相同的传输线采用共面波导传输线组态，制作在350微米的砷化镓衬底上，其几何尺寸为：中间信号线宽83微米，中间信号线距信号线两边共面地的间距为290微米，两段共面波导传输线共长930微米。

5.如权利要求2所述的复合左右手非线性传输线微波倍频电路，其特征在于：所述第一节复合左右手非线性传输线单元中的隔直电容C1和第五节复合左右手非线性传输线单元中的隔直电容C2，采用微波集成电路制作工艺，电容值为0.25pF。

6.一种复合左右手非线性传输线微波倍频电路的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、在半绝缘的砷化镓（GaAs）衬底上外延生长N⁺层；

B、在N⁺层上外延生长N^-有源层；

C、采用湿法腐蚀刻蚀N^-层，在N⁺层上形成台面结构

D、在N⁺层上蒸发金属形成肖特基二极管的下电极；

E、采用低温合金方法，在N⁺层形成欧姆接触；

F、在N^-层上蒸发金属形成肖特基接触的上电极；

G、采用湿法腐蚀刻蚀N⁺层，形成器件之间的电学隔离；

H、蒸发形成一次布线金属； 

I、在外延片上沉积一层Si₃N₄，采用干法刻蚀在Si₃N₄表面刻孔，打开电极引线窗口；

J、电镀形成二次布线金属。

7.如权利要求6所述的复合左右手非线性传输线微波倍频电路的制作方法，其特征在于：所述步骤A中N⁺层的厚度为1微米，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3。

8.如权利要求6所述的复合左右手非线性传输线微波倍频电路的制作方法，其特征在于：所述步骤B中N^-有源层的厚度为0.6微米、掺杂浓度为5×10¹⁶cm^-3。

9.如权利要求6所述的复合左右手非线性传输线微波倍频电路的制作方法，其特征在于：所述步骤H中蒸发的一次布线金属为隔直电容和矩形绕线电感的下电极。

10.如权利要求6所述的复合左右手非线性传输线微波倍频电路的制作方法，其特征在于：所述步骤J中电镀的二次布线金属为隔直电容、矩形绕线电感的上电极和共面波导传输线。

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