CN113937097A - 一种采用肖特基势垒二极管的太赫兹宽带零偏检波芯片 - Google Patents

一种采用肖特基势垒二极管的太赫兹宽带零偏检波芯片 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种采用肖特基势垒二极管的太赫兹宽带零偏检波芯片，属于毫米波及太赫兹检波技术领域。该芯片包括介质基板和其下方的接地金属板，所述介质基板上的金属接地由贯穿介质基板的金属通孔与接地金属板连接实现，所述介质基板上从左到右依次是输入GSG结构、串联MIM电容、并联开路微带支节、低阻抗微带传输线、第一并联短路微带支节、第二并联短路微带支节、第一高阻抗连接微带线、肖特基势垒二极管、第二高阻抗连接微带线、并联接地MIM电容和输出GSG结构。本发明解决了毫米波及太赫兹频段检波器对屏蔽腔尺寸设置的依赖性，并具有结构简单、尺寸小、一致性好、易于与其他功能电路集成等优点。

Description

一种采用肖特基势垒二极管的太赫兹宽带零偏检波芯片
技术领域
本发明涉及一种采用肖特基势垒二极管的太赫兹宽带零偏检波芯片，属于毫米波及太赫兹检波技术领域。
背景技术
检波器是利用固态器件的非线性特性将高频信号转换为直流或低频电流、电压信号的频率转换电路，是毫米波及太赫兹技术的关键功能电路之一，广泛应用于关键仪器、成像、通信、安检等应用领域。在应用系统中，对毫米波及太赫兹信号功率进行检测是检波器的主要应用途径之一，比如毫米波及太赫兹设备中的自动增益控制电路可以通过检波器检测电路中的功率大小来调整电路的增益。另外，检波器也可作为直接检波式接收机的核心功能电路，直接用于对接收信号的解调，从而简化系统结构、大幅度降低功耗和成本。
随着技术的进步和应用需求的发展，毫米波及太赫兹应用系统在不断的集成化和阵列化，因此，对毫米波及太赫兹检波器除了在性能上的要求，也在小型化、一致性和易于集成等方面的要求越来越高。在毫米波及太赫兹频段，基于肖特基势垒二极管的检波器因其高频特性好、可常温工作、响应时间短、可靠性好等优势被广泛应用于各种系统中。采用肖特基势垒二极管的零偏压检波器更是由于其结构简单、不需要外加偏压电路、无功耗而具有极大的应用优势。目前，在毫米波及太赫兹频段，基于肖特基势垒二极管的零偏压检波器主要采用矩形波导-带状线（具有屏蔽腔的鳍线、微带线、悬置微带线等）结构作为承载电路，一方面该种结构在承载基片外围具有屏蔽腔，且对屏蔽腔的尺寸设置具有很大的依赖性（防止高频谐振）；另一方面，由于波导输入端口的存在，检波电路只能作为一个单独的模块存在，不易于与其他功能电路进行集成。另外，检波器中肖特基势垒二极管与介质基板、匹配电路通常是分离的，需要进行人工装配。由于肖特基二极管是检波电路的核心器件，其装配位置和对准精度对电路的性能都有较大的影响，因此，人工装配肖特基势垒二极管带来的误差也是不可避免的。
现有技术中，在毫米波及太赫兹频段，基于肖特基势垒二极管的检波器主要采用矩形波导-带状线（具有屏蔽腔的鳍线、微带线、悬置微带线等）结构作为承载电路，该种检波器对屏蔽腔的尺寸设置有很大的依赖性，检波器是一个孤立的模块不易于其他功能电路集成，且肖特基势垒二极管通常与检波电路是分离的，二极管装配引入的误差将使检波器性能发生恶化。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种采用肖特基势垒二极管的太赫兹宽带零偏检波芯片，采用MMIC（微波单片集成电路）技术在开放性微带线上实现了肖特基势垒二极管检波器的芯片化，解决了毫米波及太赫兹频段检波器对屏蔽腔尺寸设置的依赖性，并具有结构简单、尺寸小、一致性好、易于与其他功能电路集成等优点。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种采用肖特基势垒二极管的太赫兹宽带零偏检波芯片，包括介质基板和其下方的接地金属板，所述介质基板上的金属接地由贯穿介质基板的金属通孔与接地金属板连接实现，所述介质基板上从左到右依次是输入GSG结构、串联MIM电容、并联开路微带支节、低阻抗微带传输线、第一并联短路微带支节、第二并联短路微带支节、第一高阻抗连接微带线、肖特基势垒二极管、第二高阻抗连接微带线、并联接地MIM电容和输出GSG结构；其中所述输入GSG结构、串联MIM电容、并联开路微带支节、低阻抗微带传输线、第一高阻抗连接微带线、肖特基势垒二极管、第二高阻抗连接微带线、并联接地MIM电容和输出GSG结构顺序连接，所述低阻抗微带传输线分别与第一并联短路微带支节、第二并联短路微带支节连接。
所述输入GSG结构和输出GSG结构均由两个接地金属和中间的微带传输线构成。
所述串联MIM电容由MMIC技术实现，是检波电路中反射低频或直流信号的元件。
所述并联开路微带支节、低阻抗微带传输线、第一并联短路微带支节、第二并联短路支节和第一高阻抗连接微带线共同构成射频输入匹配网络。
所述第一并联短路微带支节、第二并联短路支节通过贯穿介质基板的金属通孔与接地金属板连接实现接地，构成三维接地的布局。
所述肖特基势垒二极管利用半导体材料InGaAs与金属Ti接触形成的低势垒特性形成了低势垒的肖特基结。
所述肖特基势垒二极管采用单管芯、零偏压设置，被直接生长在介质基片上与外围电路一体化加工。
所述并联接地MIM电容由MMIC技术实现，是检波电路中的滤波选择元件。
本发明的有益效果如下：
1、本发明利用MMIC技术，将低势垒肖特基势垒二极管直接生长在介质基片上与外围电路一体化加工，在开放性微带传输线上实现了芯片化的肖特基势垒二极管零偏压检波电路，解决了毫米波及太赫兹频段检波器对屏蔽腔尺寸设置的依赖性，使检波电路更易于与其他功能电路集成。
2、本发明通过并联一个接地MIM（金属-绝缘体-金属）电容实现了对射频信号的反射与隔离，去掉了传统检波电路中的传输线低通滤波器，极大的减小了检波电路的尺寸。
3、本发明采用微带线背孔技术，利用金属通孔接地的三维特性将肖特基势垒二极管的射频地置于匹配支节上，去除了传统电路中专门的射频接地回路，简化了电路结构。
4、本发明中低势垒肖特基势垒二极管直接生长在介质基片上与外围电路一体化加工，去除了肖特基势垒二极管的人工装配，使肖特基二极管与匹配电路之间对准达到了微米级的精度，提高了设计准确度和一致性。
附图说明
图1是一种采用肖特基势垒二极管的太赫兹宽带零偏检波芯片整体结构图，其中：1、输入GSG（地-信号-地）结构；2、串联MIM电容；3、并联开路微带支节；4、低阻抗微带传输线；5、第一并联短路微带支节；6、第二并联短路微带支节；7、第一高阻抗连接微带线；8、肖特基势垒二极管；9、第二高阻抗连接微带线；10、并联接地MIM电容；11、输出GSG结构；12、介质基板。
图2是单管芯肖特基势垒二极管模型图。
图3是并联MIM电容模型图。
图4是并联MIMI电容结构S参数仿真结果图。
图5是检波芯片的电压灵敏度仿真曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
一种采用肖特基势垒二极管的太赫兹宽带零偏检波芯片如图1所示，包括介质基板、下方的接地金属板、基片上的金属电路及肖特基势垒二极管。从左到右依次是输入GSG（地-信号-地）结构1、串联MIM电容2、并联开路微带支节3、低阻抗微带传输线4、第一并联短路微带支节5、第二并联短路微带支节6、第一高阻抗连接微带线7、肖特基势垒二极管8、第二高阻抗连接微带线9、并联接地MIM电容10、输出GSG结构11、介质基板12。其中，输入GSG结构1由两个接地金属和中间的微带传输线构成，用于射频信号的输入，该结构在与其他功能电路集成时可去掉；其中，串联MIM电容2由MMIC技术实现，用于反射肖特基势垒二极管产生的直流信号，防止直流信号从输入端输出；其中，并联开路微带支节3、低阻抗微带传输线4、第一并联短路微带支节5、第二并联短路支节6、第一高阻抗连接微带线7共同构成射频输入匹配网络，使射频信号能在D波段全波段范围内有效的加载到肖特基势垒二极管上；其中，肖特基势垒二极管8用于将射频信号转化为直流信号，由一个管芯和两个连接焊盘构成；其中，肖特基势垒二极管8利用半导体材料InGaAs与金属Ti接触形成的低势垒特性形成了低势垒的肖特基结，有效降低了肖特基势垒二极管的开启电压；其中，肖特基势垒二极管8被直接生长在介质基板上与外围电路一体化加工，实现了二极管与匹配网络的微米级对准，消除了二极管偏离带来的影响；其中，肖特基势垒二极管8与第一高阻抗连接微带线7、第二高阻抗连接微带线9相连；其中，第二高阻抗连接微带线9与肖特基二极管相连，引出二极管产生的直流信号，并通过其长度控制射频信号的反射相位，调节检波芯片工作频带的位置；其中，并联接地MIM电容10由MMIC技术实现，通过两端对称的接地金属块进行接地，用于反射和隔离射频信号，使尽可能多的射频信号进入肖特基势垒二极管参与信号转换；其中，并联接地MIM电容10代替了传统检波电路中用于反射射频信号的低通滤波器，从而减小检波电路的尺寸；其中，输出GSG结构11由两个接地金属和中间的微带传输线构成，用于直流信号的输出；其中，介质基板12为微带线的介质基板，厚度为50微米，并在下方制作接地金属板；其中，介质基板上的金属接地由贯穿介质基板的金属通孔与接地金属板连接实现；其中，利用接地金属通孔的三维特性将二极管的射频地置于匹配支节上，去除了传统电路中的射频接地回路，进一步简化了检波电路；其中，输入、输出GSG结构为共面波导传输线结构（CPW），通过设置合适的中间金属带线的宽度，使共面波导传输线的特性阻抗为50欧；其中，检波芯片为零偏压检波电路，电路不需要额外的偏压结构。
以上所述仅为本发明的一种实施案例，并不是用以限制本发明，凡在本发明所描述的技术范围内对匹配支节的个数、尺寸、种类，介质基片的材料、厚度等做出变化、改性、替换等操作的，也应当属于本发明的保护范围。
一、肖特基二极管
在检波芯片中，肖特基势垒二极管是检波电路的核心器件，起着将输入高频信号转化为直流电压信号的作用。本发明中，肖特基势垒二极管采用单管芯、零偏压设置，并通过两焊盘与检波芯片的匹配网络相连，如图2所示。基于零偏压检波电路的应用需求，本发明利用半导体材料InGaAs与金属Ti接触形成的低势垒特性形成了低势垒的肖特基结，有效降低了肖特基二极管的开启电压，实现了低至0.15eV的势垒高度，满足了对低功率小信号的检测需求。另外，利用MMIC技术将肖特基势垒二极管直接生长在介质基板上与外围金属一体化加工，实现了肖特基势垒二极管与外围匹配电路之间的微米级对准，有利于提高检波器的性能和一致性。
二、并联MIM电容结构
检波器是利用固态器件的非线性特性对高频信号进行非线性变换产生直流或低频信号的功能电路。高频信号通过非线性器件（肖特基势垒二极管）之后将产生新的低频直流分量和谐波分量，但在输出端只需要直流分量。在传统的检波电路中，肖特基势垒二极管的后面通常需要一个低通滤波器来抑制射频信号通过，让尽量多的射频信号反射回二极管参与频率变换，来提高检波电路的性能。低通滤波器的存在也可以防止高频信号直接由输出端输出，增加了输入端与输出端的隔离度。从原理上讲，传统电路中的低通滤波器起到了一种信号的选择作用，可以使低频信号低损耗的通过，而对高频信号进行抑制。本发明中，基于低通滤波器选择作用的基本原理，采用在传输线上并联一个接地MIM电容来代替低通滤波器的频率选择功能，从而减小检波芯片的整体长度。并联接地MIM电容的结构如图3所示，该结构由MMIC技术实现，并在传输线的两侧通过接地金属对MIM电容进行接地。通过调整MIM电容的面积可以调节其电容值。图4中的仿真结果显示，由并联接地MIM电容构成的两端口结构，对110-170GHz频段内的射频信号抑制度大于24dB，并可使直流和低频信号低损耗的通过，满足对信号的选择作用。
三、检波器的仿真结果
利用谐波平衡仿真方法和版图建模对检波芯片进行了仿真，在输入功率为-30dBm时，检波芯片的电压灵敏度的仿真曲线如图5所示，可以看出，检波芯片在110-170GHz范围内，电压灵敏度大于3700V/W。另外，固定某一频点对检波器的射频功率变化情况进行仿真预估，可得到检波器的动态范围大于-40dBm。

Claims (8)

1.一种采用肖特基势垒二极管的太赫兹宽带零偏检波芯片，其特征在于，包括介质基板和其下方的接地金属板，所述介质基板上的金属接地由贯穿介质基板的金属通孔与接地金属板连接实现，所述介质基板上从左到右依次是输入GSG结构、串联MIM电容、并联开路微带支节、低阻抗微带传输线、第一并联短路微带支节、第二并联短路微带支节、第一高阻抗连接微带线、肖特基势垒二极管、第二高阻抗连接微带线、并联接地MIM电容和输出GSG结构；其中所述输入GSG结构、串联MIM电容、并联开路微带支节、低阻抗微带传输线、第一高阻抗连接微带线、肖特基势垒二极管、第二高阻抗连接微带线、并联接地MIM电容和输出GSG结构顺序连接，所述低阻抗微带传输线分别与第一并联短路微带支节、第二并联短路微带支节连接。
2.根据权利要求1所述的一种采用肖特基势垒二极管的太赫兹宽带零偏检波芯片，其特征在于，所述输入GSG结构和输出GSG结构均由两个接地金属和中间的微带传输线构成。
3.根据权利要求1所述的一种采用肖特基势垒二极管的太赫兹宽带零偏检波芯片，其特征在于，所述串联MIM电容由MMIC技术实现，是检波电路中反射低频或直流信号的元件。
4.根据权利要求1所述的一种采用肖特基势垒二极管的太赫兹宽带零偏检波芯片，其特征在于，所述并联开路微带支节、低阻抗微带传输线、第一并联短路微带支节、第二并联短路支节和第一高阻抗连接微带线共同构成射频输入匹配网络。
5.根据权利要求1所述的一种采用肖特基势垒二极管的太赫兹宽带零偏检波芯片，其特征在于，所述肖特基势垒二极管利用半导体材料InGaAs与金属Ti接触形成的低势垒特性形成了低势垒的肖特基结。
6.根据权利要求1所述的一种采用肖特基势垒二极管的太赫兹宽带零偏检波芯片，其特征在于，所述肖特基势垒二极管采用单管芯、零偏压设置，被直接生长在介质基片上与外围电路一体化加工。
7.根据权利要求1所述的一种采用肖特基势垒二极管的太赫兹宽带零偏检波芯片，其特征在于，所述并联接地MIM电容由MMIC技术实现，是检波电路中的滤波选择元件。
8.根据权利要求1所述的一种采用肖特基势垒二极管的太赫兹宽带零偏检波芯片，其特征在于，所述第一并联短路微带支节、第二并联短路支节通过贯穿介质基板的金属通孔与接地金属板连接实现接地，构成三维接地的布局。
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