CN103795347B - 一种电流调谐的集成磁膜单片混频器 - Google Patents
一种电流调谐的集成磁膜单片混频器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103795347B CN103795347B CN201310733543.XA CN201310733543A CN103795347B CN 103795347 B CN103795347 B CN 103795347B CN 201310733543 A CN201310733543 A CN 201310733543A CN 103795347 B CN103795347 B CN 103795347B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- diode
- balun
- ferromagnetic
- mixer
- pole
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
Abstract
本发明涉及的一种基于单片微波集成电路（MMIC）制造工艺，制作的一种电流调谐的集成磁膜单片混频器；通过直流电流对混频器的带宽和变频损耗进行调谐。其特征在于，该混频器的LO(本振）信号和RF（射频）信号分别通过一个可外加电流的铁磁螺旋变压器式Balun（平衡‑不平衡变换器）输入到4个环形结构的二极管中，该Balun通过在传统金属螺旋变压器式Balun下插入一层铁磁薄膜和一层绝缘介质实现；该混频器的带宽和变频损耗可通过电流进行调谐，在直流电流下，混频器的带宽展宽，变频损耗降低。具有（1）混频器带宽可调谐；（2）混频器变频损耗可调谐；（3）制作工艺与GaAs（砷化镓）、GaN（氮化镓）常规RF/MMIC制造工艺兼容等优点。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种微电子技术领域的电路及其制造方法，具体是一种基于单片微波集成电路（MMIC）制造工艺，制作的一种电流调谐的集成磁膜单片混频器；通过直流电流对混频器的带宽和变频损耗进行调谐。
背景技术
混频器是实现两个频率（或其谐波）和或差运算的器件，几乎是所有RF和微波通信接收机、发射机和信号发生器中的关键部件，其主要功能是将信号从一个频率转换到另一个频率，使信号放大、滤波、检测和传输等其他功能电路的工作更加有效。
传统的双平衡混频器其电路原理如图1所示，由四个相同的混频二极管构成一个环形结构，二极管B、D的正极和二极管A、C的负极连通在一起形成IF（中频）输出端；然后将LO（本振）信号通过一个巴伦（巴伦，平衡-不平衡变换器）形成两路相位相反的信号分别输入到两组二极管（二极管A、D组成一组，二极管B、C组成一组）上；同时将RF（射频）信号通过另一个巴伦形成两路相位相反的信号分别输入到两组二极管（二极管A、D组成一组，二极管B、C组成一组）上；通过二极管的非线性特性实现双平衡混频（IF输出信号主要为LO和RF基波信号的和或差信号，而其他杂波信号由于二极管的非线性特性相互抵消的道很好的抑制）。
传统的双平衡混频器一般采用Marchand或者Lange耦合线实现平衡-不平衡变换，但是在较低的应用频段（<10GHz），这两种结构巴伦的面积随着频率的降低迅速增加，不利于进行全单片集成。研究人员研制的金属螺旋变压器式Balun试图解决该问题（Y.J.Yoon,Y.Lu,R.C.Frye,and P.R.Smith,“Modeling of monolithic RF spiral transmission-line balun,”IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,vol.49,no.2,pp.393–395,Feb.2001.），但是在更低的应用频段（<2GHz），该结构的Balun同样占用大量的芯片面积，使得该结构的全单片双平衡混频器面积过大，成品率降低，成本增加。同时，以上几种结构混频器的带宽和变频损耗在使用时均不可变化。
发明内容
本发明针对现有单片混频器带宽和变频损耗不可变化的问题，提供一种电流调谐的集成磁膜单片混频器的制作方法，使得到的混频器具有带宽和品质因数可调谐的特点，并且该混频器的制作过程与GaAs、GaN基片标准MMIC制造工艺兼容，可广泛应用于各类通信接收/发射机等射频、微波系统中。
实现本发明的技术方案为：
一种电流调谐的集成磁膜单片混频器，包括半导体基片，在半导体基片上端的两侧各设置第一铁磁螺旋变压器式巴伦及第二铁磁螺旋变压器式巴伦，在两个铁磁螺旋变压器式巴伦之间依次设置第一二极管、第四二极管、第三二极管及第二二极管，第一二极管与第四二极管组成第一二极管组，第三二极管及第二二极管组成第二二极管组，本振信号由第一金属铁磁变压器式巴伦形成两路相位相反的信号后分别输入到第一二极管组及第二二极管组上，射频信号由第二金属铁磁变压器式巴伦形成两路相位相反的信号后分别输入到第一二极管组及第二二极管组上，且第二二极管的正极连接第一二极管的负极，第四二极管的正极连接第三二极管的负极。
所述铁磁螺旋变压器式巴伦包括金属螺旋变压器式巴伦、第一绝缘介质、第二绝缘介质、铁磁薄膜及控制极金属压块，在金属螺旋变压器式巴伦及半导体基片之间依次设置铁磁薄膜及控制极金属压块，在金属螺旋变压器式巴伦与铁磁薄膜之间及控制极金属压块与半导体基片分别设置第二绝缘介质与第一绝缘介质。
铁磁薄膜为NiFe-SiOx软磁多层薄膜，薄膜的形状和大小与金属螺旋变压器式巴伦一致，铁磁薄膜通过连接控制极金属压块实现外加电流；绝缘介质为SiNx或SiO2。
一种电流调谐的集成磁膜单片混频器的调谐方法，在集成磁膜单片混频器的金属电极上外加直流电源，外加直流电流大小为0～30mA，实现混频器带宽和变频损耗的调谐。
一种电流调谐的集成磁膜单片混频器的制作方法，包括如下步骤：
（1）在半导体基片上按照传统MMIC工艺制作第一、第二、第三、第四二极管，其中第一二极管与第四二极管组成一组，第二二极管与第三二极管组成一组；
（2）采用传统MMIC工艺制作控制极金属压块；
（3）采用PECVD法淀积第一绝缘介质；
（4）采用光刻工艺匀胶、曝光、显影得到铁磁薄膜的磁膜光刻图形，图形部分位于控制极金属压块上方；
（5）采用磁控溅射法制备NiFe-SiOx软磁多层薄膜，采用剥离工艺得到图形化的铁磁薄膜；
（6）采用PECVD法淀积第二绝缘介质；
（7）采用光刻工艺匀胶、曝光、显影得到通孔图形，该图形与控制极金属压块重叠，使用RIE工艺刻蚀图形中的绝缘介质，使用丙酮去除剩余光刻胶，得到介质通孔，露出控制极金属压块和部分铁磁薄膜；
（8）使用传统MMIC工艺制作互连金属实现金属铁磁变压器式巴伦，金属铁磁变压器式巴 伦与4个二极管之间连接，以及4个二极管之间环形结构连接，即将本振信号通过第一金属铁磁变压器式巴伦连接到两组二极管组上，同时将射频信号通过第二金属铁磁变压器式巴伦连接到同样两组二极管组上，第二二极管、第四二极管的正极和第一二极管、第三二极管的负极连通在一起形成中频输出端；
（9）使用传统MMIC工艺制作连接铁磁薄膜和控制极金属压块的金属电极。
在步骤（3）和（6）中，绝缘介质为SiNx或SiO2，厚度大于200nm。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1）混频器带宽可调谐，在0～30mA的外加直流电流下实现最大50%的带宽调谐（从1.4～2.2GHz变为1.4～2.6GHz）；（2）混频器变频损耗可调谐，在0～30mA的外加直流电流下实现最大20dB的调谐（从-55dB变为-35dB）；（3）制作工艺与GaAs、GaN等常规RF/MMIC制造工艺兼容。
附图说明
图1传统双平衡混频器原理图；
图2电流调谐的集成磁膜混频器结构、调谐方法的示意图；
图3（a）制作第一、第二、第三、第四二极管的示意图；
图3（b）制作控制极金属压块的示意图；
图3（c）制作第一绝缘介质的示意图；
图3（d）制作铁磁薄膜光刻图形的示意图；
图3（e）制作铁磁薄膜的示意图；
图3（f）制作第二绝缘介质的示意图；
图3（g）制作介质通孔的示意图；
图3（h）制作金属铁磁变压器式巴伦的示意图；
图3（i）制作金属电极的示意图。
图4实施例中混频器调谐测试结果示意图。
其中1-控制极金属压块、2-第一绝缘介质、3-磁膜光刻图形、4-铁磁薄膜、5-第二绝缘介质、6-介质通孔、7-金属螺旋变压器式巴伦、8-金属电极、9-直流电源。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明进行进一步详述：
本发明是基于GaAs HFET（砷化镓异质结场效应晶体管）MMIC制造工艺，制作的一种电流调谐的集成磁膜单片混频器，其结构如图2所示：
该混频器由四个相同的混频二极管（Diode）构成一个环形结构，将本振（LO）信号通过一个可外加电流的第一铁磁螺旋变压器式巴伦（Balun）形成两路相位相反的信号分别输入到 两组二极管组上，其中第一二极管与第四二极管组成一组，第二二极管与第三二极管组成一组；同时将射频（RF）信号通过第二铁磁螺旋变压器式巴伦形成两路相位相反的信号分别输入到上述同样两组二极管组上；第二二极管与第四二极管的正极分别和第一二极管及第三二极管的负极连通在一起形成中频（IF）输出端，通过可外加电流的铁磁螺旋变压器式Balun实现180°的平衡-不平衡变换，通过上述四个Diode的非线性特性实现双平衡混频。
其中铁磁螺旋变压器式Balun是通过在传统金属螺旋变压器式巴伦7下插入第一绝缘介质2与第二绝缘介质5、一层可外加电流的铁磁薄膜4和一层控制极金属压块1实现，第一绝缘介质2及第二绝缘介质5分别在铁磁薄膜4的上、下方，控制极金属压块1位于最下方。插入的铁磁薄膜4为NiFe-SiOx软磁多层薄膜，薄膜的形状和大小与金属螺旋变压器式巴伦7一致，位置在金属螺旋变压器式巴伦7的正下方，铁磁薄膜通过连接控制极金属压块1实现外加电流；绝缘介质为SiNx或SiO2。
本发明同时公开一种电流调谐的集成磁膜单片混频器，具体来说，制作步骤如下：
（1）在半导体基片上按照传统MMIC工艺制作第一、第二、第三、第四二极管其中第一、第四二极管组成一组，第二、第三二极管组成一组，如图3（a）所示；
（2）采用传统MMIC工艺制作控制极金属压块1，如图3（b）所示；
（3）采用PECVD法淀积第一绝缘介质2，如图3（c）所示；
（4）采用光刻工艺匀胶、曝光、显影得到铁磁薄膜4的磁膜光刻图形3，图形部分位于控制极金属压块1上方，如图3（d）所示；
（5）采用磁控溅射法制备NiFe-SiOx软磁多层薄膜，采用剥离工艺得到图形化的铁磁薄膜4，如图3（e）所示；
（6）采用PECVD法淀积第二绝缘介质5，如图3（f）所示；
（7）采用光刻工艺匀胶、曝光、显影得到通孔图形，该图形与控制极金属Pad重叠，使用RIE工艺刻蚀图形中的绝缘介质，使用丙酮去除剩余光刻胶，得到介质通孔6，露出控制极金属压块1和部分铁磁薄膜4，如图3（g）所示；
（8）在第二绝缘介质5上设置2个金属螺旋变压器式巴伦7，而后使用传统MMIC工艺制作互连金属实现铁磁变压器式Balun，铁磁变压器式Balun与4个二极管之间连接，以及4个二极管之间环形结构连接，即将LO信号通过第一铁磁螺旋变压器式Balun连接到两组二极管组上，同时将RF信号通过第二铁磁螺旋变压器式Balun连接到同样两组二极管组上，第二二极管、第四二极管的正极分别和第一二极管、第三二极管的负极连通在一起形成IF输出端，如图3（h）所示；
（9）使用传统MMIC工艺制作金属电极8连接铁磁薄膜4和控制极金属压块1，如图3 （i）所示。
本发明中极金属压块1采用Ti或者Au制作，厚度为20或200nm，第一绝缘介质2及第二绝缘介质5为SiNx，厚度为200nm，铁磁薄膜4的厚度为400nm；金属电极8采用Ti或Au制作，厚度为20或200nm。
本发明所述混频器调谐过程如下：
使用Agilent E4356A直流电源在2个金属电极8之间通入0～30mA的直流电流，实现混频器的调谐过程，图4为所制作的混频器调谐测试结果，可以看出：（1）在0～30mA的外加直流电流下实现最大50%的带宽调谐（从1.4～2.2GHz变为1.4～2.6GHz）；（2）在0～30mA的外加直流电流下实现最大20dB的变频损耗调谐（从-55dB变为-35dB（@2.6GHz））。
Claims (3)
1.一种电流调谐的集成磁膜单片混频器，其特征在于：包括半导体基片，在半导体基片上端的两侧各设置第一铁磁螺旋变压器式巴伦及第二铁磁螺旋变压器式巴伦，在两个铁磁变压器式巴伦之间依次设置第一二极管、第四二极管、第三二极管及第二二极管，第一二极管与第四二极管组成第一二极管组，第三二极管及第二二极管组成第二二极管组，本振信号由第一铁磁螺旋变压器式巴伦形成两路相位相反的信号后分别输入到第一二极管组及第二二极管组上，射频信号由第二金属铁磁变压器式巴伦形成两路相位相反的信号后分别输入到第一二极管组及第二二极管组上，且第二二极管的正极连接第一二极管的负极，第四二极管的正极连接第三二极管的负极。
2.如权利要求书1所述的一种电流调谐的集成磁膜单片混频器，其特征在于：所述铁磁螺旋变压器式巴伦包括金属螺旋变压器式巴伦、第一绝缘介质、第二绝缘介质、铁磁薄膜及控制极金属压块，在金属螺旋变压器式巴伦及半导体基片之间依次设置铁磁薄膜及控制极金属压块，在金属螺旋变压器式巴伦与铁磁薄膜之间及控制极金属压块与半导体基片分别设置第二绝缘介质与第一绝缘介质。
3.如权利要求书2所述的一种电流调谐的集成磁膜单片混频器，其特征在于：铁磁薄膜为NiFe-SiOx软磁多层薄膜，薄膜的形状和大小与金属螺旋变压器式巴伦一致，铁磁薄膜通过连接控制极金属压块实现外加电流；绝缘介质为SiNx或SiO2。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310733543.XA CN103795347B (zh) | 2013-12-27 | 2013-12-27 | 一种电流调谐的集成磁膜单片混频器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310733543.XA CN103795347B (zh) | 2013-12-27 | 2013-12-27 | 一种电流调谐的集成磁膜单片混频器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103795347A CN103795347A (zh) | 2014-05-14 |
| CN103795347B true CN103795347B (zh) | 2017-01-04 |
Family
ID=50670732
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201310733543.XA Active CN103795347B (zh) | 2013-12-27 | 2013-12-27 | 一种电流调谐的集成磁膜单片混频器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN103795347B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110607503B (zh) * | 2019-10-18 | 2021-11-05 | 西南应用磁学研究所 | 一种高频磁芯用软磁复合膜及其制备方法 |
| CN113327759B (zh) * | 2021-05-30 | 2022-11-15 | 南京工业职业技术大学 | 一种基于宽禁带异质结结构的平面变压器 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101510629A (zh) * | 2009-03-18 | 2009-08-19 | 东南大学 | 半模基片集成波导双平衡混频器及其实现方法 |
| CN103022018A (zh) * | 2012-12-07 | 2013-04-03 | 中国电子科技集团公司第五十五研究所 | 电流调谐的集成磁膜微电感的制作方法和电感调谐方法 |
| CN103039001A (zh) * | 2010-06-22 | 2013-04-10 | 赫梯特微波公司 | 改进的双平衡混频器 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006286931A (ja) * | 2005-03-31 | 2006-10-19 | Tdk Corp | 薄膜デバイス |
-
2013
- 2013-12-27 CN CN201310733543.XA patent/CN103795347B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101510629A (zh) * | 2009-03-18 | 2009-08-19 | 东南大学 | 半模基片集成波导双平衡混频器及其实现方法 |
| CN103039001A (zh) * | 2010-06-22 | 2013-04-10 | 赫梯特微波公司 | 改进的双平衡混频器 |
| CN103022018A (zh) * | 2012-12-07 | 2013-04-03 | 中国电子科技集团公司第五十五研究所 | 电流调谐的集成磁膜微电感的制作方法和电感调谐方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| GaAs MMIC 宽带双平衡混频器的研制;赵宇等;《半导体技术》;20091203;第34卷(第12期);1220-1221 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103795347A (zh) | 2014-05-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10181834B2 (en) | Baluns for RF signal conversion and impedance matching | |
| US7683733B2 (en) | Balun transformer with improved harmonic suppression | |
| US7961063B2 (en) | Balun signal transformer and method of forming | |
| EP2947767B1 (en) | Broadband integrated rf/microwave/millimeter mixer with integrated balun(s) | |
| CN106656069B (zh) | 一种应用于gsm射频功率放大器的多频输出匹配网络 | |
| US6653910B2 (en) | Spiral balun | |
| WO2009060264A1 (en) | Integrated circuit having harmonic termination circuitry | |
| Chiou et al. | Symmetric Offset Stack Balun in Standard 0.13-$\mu {\hbox {m}} $ CMOS Technology for Three Broadband and Low-Loss Balanced Passive Mixer Designs | |
| US8085111B2 (en) | Thin film balun | |
| CN113809989B (zh) | 一种基于GaAs工艺的宽带低变频损耗双平衡混频器芯片 | |
| CN104378074A (zh) | 用于e类异相功率放大器的组合电路 | |
| US8912090B2 (en) | Mixer fabrication technique and system using the same | |
| CN111403378B (zh) | 一种薄膜集成无源元件ipd宽带射频巴伦芯片 | |
| CN103795347B (zh) | 一种电流调谐的集成磁膜单片混频器 | |
| Yeh et al. | Compact 28-GHz subharmonically pumped resistive mixer MMIC using a lumped-element high-pass/band-pass balun | |
| CN103022018B (zh) | 电流调谐的集成磁膜微电感的制作方法和电感调谐方法 | |
| CN104767021A (zh) | 一种宽带高平衡度的片上变压器巴伦 | |
| WO2020125192A1 (zh) | 一种无源宽带混频器 | |
| US11101227B2 (en) | Coupled line structures for wideband applications | |
| Figur et al. | RF MEMS variable matching networks for multi-band and multi-mode GaN power amplifiers | |
| Chakraborty et al. | Transformer balun design in Gallium Arsenide and Silicon Germanium processes | |
| Xia et al. | Modified CMOS monolithic stacked coupled stripline balun for millimeter-wave applications | |
| Zhang et al. | Design of 85 GHz high power gain SiGe buffer with transformer matching network | |
| Vanukuru et al. | High efficiency millimeter-wave stacked two turn transformer using only top two thick metals | |
| Cheraiet et al. | A broadband and high-efficiency Ruthroff 1: 9 transmission-line transformer using coupled microstrip lines |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20140514 Assignee: Nanjing Zhongdian Core Valley High Frequency Device Industry Technology Research Institute Co., Ltd. Assignor: China Electronics Technology Group Corporation No.55 Research Institute Contract record no.: X2020980000164 Denomination of invention: Current-tuning integrated magnetic film monolithic frequency mixer and tuning manufacture method thereof Granted publication date: 20170104 License type: Common License Record date: 20200119 |
|
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |