CN112131817B - 毫米波单片一体化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种毫米波单片一体化设计方法，涉及毫米波技术领域。所述方法包括如下步骤：根据毫米波单片的结构，对毫米波单片的外围封装、外围匹配电路以及变频器件同时设计，采用电磁场和电路级联合仿真，同时将变频器件的非线性部分作为变量，在整体设计中对变频器件进行优化，采用优化后变频器件结合设计的外围封装以及外围匹配电路设计毫米波单片。采用本发明所提出的毫米波单片集成电路设计方法，可以加速设计周期，提高生产率。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波技术领域，尤其涉及一种毫米波单片一体化设计方法。
背景技术
毫米波是指波长在1mm到10mm之间的一段电磁波，学术上一般认为为频率在26.50GHz-300GHz之间的电磁波。毫米波具有很多的应用，在雷达，通信，安检，成像以及测试测量方面有广阔的应用前景。在毫米波的高端频率，例如100GHz到300GHz的频段，由于频率更高，波长更短，用于雷达可大幅提高成像分辨率，用于通信可大幅提高通信带宽和速率，处于学术界和产业界聚焦的技术领域。
目前低于100GHz的毫米波的收发技术相对比较成熟，对于100GHz到300GHz频段的毫米波来讲，毫米波信号的发生和探测是非常重要的技术。目前国内外基于肖特基二极管的非线性特性来实现该频段的上下变频，主要是基于肖特基二极管的混合集成电路来实现。例如将分立的肖特基二极管倒装焊接在石英基板上，将石英基板放置在波导腔体上来实现毫米波信号的倍频产生和混频探测。目前毫米波的倍频和混频技术正在由混合集成电路形式向单片集成电路形式进行发展。单片集成电路相对于混合集成电路，主要是其外围电路采取了和非线性器件相同的衬底材料，可大幅提高电路的设计精度。
目前比较成熟的混合集成电路设计一般是先对分立的变频器件进行建模，然后在与芯片衬底不同材料的基板上制作外围匹配电路，再进行外围模块封装，形成具有上下变频的功能电路或者模块。由于毫米波高端范围频率较高，设计思想十分关键，设计不当，容易出现差之毫厘，在电路性能上出现谬以千里的局面。因此毫米波单片集成电路的设计方法十分重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种设计周期短，生产效率高的毫米波单片一体化设计方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种毫米波单片一体化设计方法，其特征在于包括如下步骤：
根据毫米波单片的结构，对毫米波单片的外围封装、外围匹配电路以及变频器件同时设计，采用电磁场和电路级联合仿真，同时将变频器件的非线性部分作为变量，在整体设计中对变频器件进行优化，采用优化后变频器件结合设计的外围封装以及外围匹配电路设计毫米波单片。
优选的，所述毫米波单片包括250GHz单片混频集成电路。
进一步的技术方案在于，包括如下步骤：
首先确定250GHz单片混频集成电路的外围封装电路的尺寸，包括用于传输250GHz信号的波导尺寸，包括波导口的高度和宽度，并确定用于传输信号波导的长度；设计E面波导到单片集成电路上的过度微带，用于将250GHz的射频信号引入到单片集成电路上，采用GaN衬底材料作为单片集成电路的基板， 250GHz的射频信号经过射频过度微带线传输到起非线性变频功能的GaN肖特基二极管中；
引入本振信号，采用谐波设计，本振信号为射频信号的一半左右，确定124GHz本振信号的外围封装电路的尺寸，包括用于传输124GHz信号的波导尺寸，包括波导口的高度和宽度，并确定用于传输信号波导的长度，同时设计E面波导到单片集成电路上的过度微带，将124GHz的本振信号引入到单片集成电路的GaN肖特基二极管中；
采用电磁场软件对GaN肖特基二极管的外围寄生电路进行仿真，用于获得肖特基二极管的电路级寄生参量仿真参数包，对GaN肖特基二极管的非线性部分进行设计仿真，主要是GaN肖特基二极管的结电容和电阻参数作为变量在电路设计软件中进行统一优化设计仿真；采用电磁场软件仿真射频过度，本振中频双工端口以及本振低通滤波器，将此无源的仿真参数包统一代入到电路设计软件中，在电路设计软件中进行优化仿真；在电路设计中，将从电磁场仿真中提取的上述无源仿真参数包和GaN肖特基二极管的非线性参量作为同一变量进行整体优化仿真，用以确定二极管最佳的结电容和电阻参数；同时将获得的最优的二极管结参数提取后，用于指导单片集成电路的制作；
引入的124GHz本振信号经过本振低通滤波器引入到起非线性变频功能的GaN肖特基二极管中，本振信号和射频信号进行混频，混频后的信号经中频滤波器在中频端口进行中频输出。
优选的，所述基板的厚度为16微米。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本申请所述方法采用外围封装、外围匹配电路和变频器件同时设计，采用电磁场和电路级联合仿真，同时将变频器件的非线性部分作为变量，在整体设计中进行优化，以获取最佳的电路性能。采用本发明所提出的毫米波单片集成电路设计方法，可以加速设计周期，提高生产率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例所述方法中250GHz单片混频集成电路的结构示意图；
其中：1、124GHz本振信号输入端；2、250GHz射频信号输入端；3、GaN肖特基二极管；4、中频信号输出端。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明公开了一种毫米波单片一体化设计方法，包括如下步骤：
根据毫米波单片的结构，对毫米波单片的外围封装、外围匹配电路以及变频器件同时设计，采用电磁场和电路级联合仿真，同时将变频器件的非线性部分作为变量，在整体设计中对变频器件进行优化，采用优化后变频器件结合设计的外围封装以及外围匹配电路设计毫米波单片。
结合附图1来具体阐述毫米波单片集成电路一体化设计方法。附图1所示为一个250GHz的单片混频集成电路，主要实现的功能是对250GHz的信号进行频谱的下搬移，将不易探测的250GHz信号变频到容易处理的中频频段。采用一体化单片集成电路设计思路，首先确定外围封装电路的尺寸，主要是用于传输250GHz信号的波导尺寸，包括波导口的高度和宽度，并确定用于传输信号波导的长度。为了将250GHz的射频信号引入到单片集成电路上，需要设计E面波导到单片集成电路上的过度微带，在本设计中，采用GaN衬底材料作为单片集成电路的基板，厚度为16微米，采用16微米厚度基板主要是为了降低250GHz在GaN微带中的传输损耗，250GHz的射频信号经过射频过度传输到起非线性变频功能的GaN肖特基二极管中。
由于附图1所示为一个混频单片集成电路，需要将本振信号引入，同时将混频获得的中频信号进行输出。由于采用的是谐波设计，本振信号一般为射频信号的一半左右，例如本次设计中采用的是124GHz的本振信号，为了将124GHz的本振信号引入到单片集成电路上，确定外围封装电路的尺寸，主要是用于传输124GHz信号的波导尺寸，包括波导口的高度和宽度，并确定用于传输信号波导的长度，同时需要设计E面波导到单片集成电路上的过度微带。引入的124GHz本振信号经过本振低通滤波器引入到起非线性变频功能的GaN肖特基二极管中，本振信号和射频信号进行混频，混频后的信号经中频滤波器在中频端口进行中频输出。
为了获得极佳的变频损耗，需要采用电磁场和电路协同仿真的方法。采用电磁场软件对GaN肖特基二极管的外围寄生电路进行仿真，用于获得肖特基二极管的电路级寄生参量仿真参数包，对GaN肖特基二极管的非线性部分，主要是二极管的结电容和电阻等参数作为变量在电路设计软件中进行统一优化设计仿真。采用电磁场软件仿真射频过度，本振中频双工端口以及本振低通滤波器，将此无源的仿真参数包统一代入到电路设计软件中，在电路设计软件中进行优化仿真。在电路设计中，将从电磁场仿真中提取的上述无源仿真参数包和二极管的非线性参量作为同一变量进行整体优化仿真，用以确定二极管最佳的结电容和电阻等参数。同时将获得的最优的二极管结参数提取后，用于指导单片集成电路的制作。
采用本发明所提出的毫米波单片集成电路设计方法，可以加速设计周期，提高生产率。
Claims (2)
1.一种毫米波单片一体化设计方法，其特征在于包括如下步骤：
根据毫米波单片的结构，对毫米波单片的外围封装、外围匹配电路以及变频器件同时设计，采用电磁场和电路级联合仿真，同时将变频器件的非线性部分作为变量，在整体设计中对变频器件进行优化，采用优化后变频器件结合设计的外围封装以及外围匹配电路设计毫米波单片；所述毫米波单片包括250GHz单片混频集成电路；
具体的，所述方法包括如下步骤：
首先确定250GHz单片混频集成电路的外围封装电路的尺寸，包括用于传输250GHz信号的波导尺寸，包括波导口的高度和宽度，并确定用于传输信号波导的长度；设计E面波导到单片集成电路上的过度微带，用于将250GHz的射频信号引入到单片集成电路上，采用GaN衬底材料作为单片集成电路的基板， 250GHz的射频信号经过射频过度微带线传输到起非线性变频功能的GaN肖特基二极管中；
引入本振信号，采用谐波设计，本振信号为射频信号的一半左右，确定124GHz本振信号的外围封装电路的尺寸，包括用于传输124GHz信号的波导尺寸，包括波导口的高度和宽度，并确定用于传输信号波导的长度，同时设计E面波导到单片集成电路上的过度微带，将124GHz的本振信号引入到单片集成电路的GaN肖特基二极管中；
采用电磁场软件对GaN肖特基二极管的外围寄生电路进行仿真，用于获得肖特基二极管的电路级寄生参量仿真参数包，对GaN肖特基二极管的非线性部分进行设计仿真，主要是GaN肖特基二极管的结电容和电阻参数作为变量在电路设计软件中进行统一优化设计仿真；采用电磁场软件仿真射频过度，本振中频双工端口以及本振低通滤波器，将此无源的仿真参数包统一代入到电路设计软件中，在电路设计软件中进行优化仿真；在电路设计中，将从电磁场仿真中提取的上述无源仿真参数包和GaN肖特基二极管的非线性参量作为同一变量进行整体优化仿真，用以确定二极管最佳的结电容和电阻参数；同时将获得的最优的二极管结参数提取后，用于指导单片集成电路的制作；
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2.如权利要求1所述的毫米波单片一体化设计方法，其特征在于：所述基板的厚度为16微米。
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