RU2556271C1 - Microwave integrated circuit - Google Patents

Microwave integrated circuit Download PDF

Info

Publication number
RU2556271C1
RU2556271C1 RU2013159284/28A RU2013159284A RU2556271C1 RU 2556271 C1 RU2556271 C1 RU 2556271C1 RU 2013159284/28 A RU2013159284/28 A RU 2013159284/28A RU 2013159284 A RU2013159284 A RU 2013159284A RU 2556271 C1 RU2556271 C1 RU 2556271C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
integrated circuit
microwave
elements
dielectric substrate
microwave integrated
Prior art date
Application number
RU2013159284/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Михайлович Темнов
Константин Владимирович Дудинов
Юрий Михайлович Богданов
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина (АО "НПП "Исток" им. Шокина")
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина (АО "НПП "Исток" им. Шокина") filed Critical Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина (АО "НПП "Исток" им. Шокина")
Priority to RU2013159284/28A priority Critical patent/RU2556271C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2556271C1 publication Critical patent/RU2556271C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Microwave Amplifiers (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: microwave integrated circuit comprises a dielectric substrate made of diamond, elements of the integrated circuit - active and passive elements, transmission lines, outputs; at the reverse side of the dielectric substrate there is metallised coating, at that the elements of the integrated circuits are connected electrically and grounded as per its electrical circuit. At the face of the above dielectric substrate there is an additional layer of crystalline semi-insulating silicon with the thickness of less than 10 mcm and the elements of the integrated circuit - active and passive elements, transmission lines, outputs are made at the surface of the above layer. The elements of the integrated circuit are monolithic, in the above dielectric substrate and the layer of crystalline semi-insulating silicon there are plated-through holes and the integrated circuit is grounded by means of the above plated-through holes.
EFFECT: improved electrical performance and their improved reproducibility, improved reliability, reduced weight and dimensions, reduced labour intensity for manufacturing of the microwave integrated circuit.
6 cl, 7 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к электронной технике, а именно интегральным схемам СВЧ, и может быть широко использовано в электронной технике СВЧ, в частности в радиолокационных станциях с фазированными антенными решетками (ФАР).The invention relates to electronic equipment, namely microwave integrated circuits, and can be widely used in microwave electronic equipment, in particular in radar stations with phased antenna arrays (PAR).

Основными характеристиками интегральной схемы СВЧ и особенно в последнем случае ее применения являются выходная мощность, коэффициент полезного действия (КПД) и массогабаритные характеристики.The main characteristics of the microwave integrated circuit and especially in the latter case of its application are the output power, efficiency (Efficiency) and weight and size characteristics.

Известна СВЧ интегральная схема, содержащая диэлектрическую плату с размещенными на одной ее стороне копланарными линиями, пассивными и активными элементами, установленную на металлическом основании, и выводы, в которой с целью упрощения конструкции, снижения стоимости, улучшения электрических характеристик диэлектрическая плата установлена на металлическом основании стороной, содержащей копланарные линии [1].A known microwave integrated circuit containing a dielectric board with coplanar lines, passive and active elements placed on one side thereof, mounted on a metal base, and conclusions, in which, in order to simplify the design, reduce cost, improve electrical characteristics, the dielectric board is mounted on the metal base containing coplanar lines [1].

Данная интегральная схема СВЧ в силу наличия копланарной линии передачи позволяет легко включать пассивные элементы, в том числе и шунтирующие без проволочных соединений и тем самым сократить частично, но не полностью число и соответственно длину проволочных соединений и тем самым частично уменьшить разброс электрических характеристик и, как следствие, - повышение их воспроизводимости и повышение надежности интегральной схемы СВЧ.This microwave integrated circuit, due to the presence of a coplanar transmission line, makes it easy to turn on passive elements, including shunts without wire connections, and thereby partially, but partially, reduce the number and length of wire connections, thereby partially reducing the spread of electrical characteristics and, as the consequence is an increase in their reproducibility and an increase in the reliability of the microwave integrated circuit.

Известна интегральная схема СВЧ, содержащая диэлектрическую подложку, на лицевой стороне которой выполнены пассивные элементы, в том числе шунтирующие - конденсаторы и резисторы, копланарные линии передачи и выводы и установлены активные элементы.A known microwave integrated circuit containing a dielectric substrate, on the front side of which are made passive elements, including shunt - capacitors and resistors, coplanar transmission lines and conclusions and installed active elements.

В данной интегральной схеме с целью улучшения электрических характеристик активные компоненты установлены на диэлектрическую плату лицевой стороной, а на лицевой стороне диэлектрической платы в местах соединения шунтирующих элементов и в местах отвода тепла от активных компонентов выполнены металлические столбы сечением и высотой 40-50 мкм, посредством которых диэлектрическая плата установлена лицевой стороной на металлическое основание, а выемка в металлическом основании выполнена только под активными компонентами [2].In this integrated circuit, in order to improve the electrical characteristics, the active components are mounted on the dielectric board with the front side, and on the front side of the dielectric board at the junction of the shunt elements and at the points of heat removal from the active components, metal poles with a section and height of 40-50 μm are made, by the dielectric board is installed face-down on the metal base, and the recess in the metal base is made only under the active components [2].

Наличие и указанное расположение упомянутых металлических столбов в СВЧ интегральной схеме позволило:The presence and indicated location of the mentioned metal poles in the microwave integrated circuit allowed:

во-первых, практически полностью исключить проволочные соединения и тем самым максимально уменьшить разброс электрических характеристик и, как следствие, - повысить их воспроизводимость и повысить надежность интегральной схемы СВЧ,firstly, to almost completely eliminate wire connections and thereby minimize the spread of electrical characteristics and, as a result, increase their reproducibility and increase the reliability of the microwave integrated circuit,

во-вторых, отвести тепло от активных элементов кратчайшим путем и тем самым улучшить отвод тепла и, как следствие, - улучшить электрические характеристики и повысить надежность интегральной схемы СВЧ.secondly, to remove heat from active elements in the shortest way and thereby improve heat dissipation and, as a result, improve electrical characteristics and increase the reliability of the microwave integrated circuit.

Известна интегральная схема СВЧ, содержащая диэлектрическую подложку, на лицевой стороне которой выполнены только пассивные элементы либо - пассивные элементы, линии передачи, выводы и навесные активные элементы, при этом элементы соединены электрически, интегральная схема заземлена,в которой с целью улучшения электрических характеристик, повышения надежности, снижения массогабаритных характеристик диэлектрическая подложка выполнена из пластины алмаза толщиной, равной 100-200 мкм, которая имеет металлизационное покрытие, при этом металлизационное покрытие выполнено в виде сплошного слоя на обратной и торцевых сторонах и локального слоя на лицевой стороне упомянутой диэлектрической подложки, при этом упомянутые слои выполнены одинаковой толщины, равной каждый 3-7 глубин скин-слоя, а заземление интегральной схемы выполнено посредством упомянутого металлизационного покрытия, а навесные активные элементы выполнены на кристалле толщиной 100 мкм [3] - прототип.A known microwave integrated circuit containing a dielectric substrate on the front side of which is made only of passive elements or passive elements, transmission lines, terminals and mounted active elements, while the elements are electrically connected, the integrated circuit is grounded, in which, in order to improve electrical characteristics, increase reliability, reducing the overall dimensions, the dielectric substrate is made of a diamond plate with a thickness of 100-200 μm, which has a metallization coating, while the lamination coating is made in the form of a continuous layer on the back and end sides and a local layer on the front side of the said dielectric substrate, wherein said layers are made of the same thickness equal to each 3-7 depths of the skin layer, and the grounding of the integrated circuit is made by the said metallization coating, and mounted active elements are made on a crystal with a thickness of 100 μm [3] - a prototype.

Данная интегральная схема СВЧ с достаточно высокими электрическими характеристиками нашла широкое применение в усилителях и генераторах СВЧ, различных преобразовательных схемах СВЧ, в том числе в радиолокационных станциях с фазированными антенными решетками, в состав которых входит множество (порядка тысячи) идентичных элементов.This microwave integrated circuit with sufficiently high electrical characteristics is widely used in amplifiers and microwave generators, various microwave conversion circuits, including radar stations with phased antenna arrays, which include many (about a thousand) identical elements.

Однако вышеуказанные преимущества данной конструкции в ряде случаев (мощных усилителях, мощных переключателях, мощных защитных устройствах) являются недостаточными, когда требуется:However, the above advantages of this design in some cases (high-power amplifiers, high-power switches, powerful protective devices) are insufficient when required:

во-первых, более эффективный отвод тепла,firstly, more efficient heat dissipation,

во-вторых, значительное повышение воспроизводимости электрических характеристик,secondly, a significant increase in the reproducibility of electrical characteristics,

в-третьих, значительное снижение массогабаритных характеристик.thirdly, a significant decrease in weight and size characteristics.

Это обусловлено как минимально возможной толщиной кристалла активного элемента, которая составляет порядка 100 мкм, так и точностью и качеством его монтажа на диэлектрическую подложку.This is due to both the minimum possible crystal thickness of the active element, which is about 100 μm, and the accuracy and quality of its mounting on a dielectric substrate.

Техническим результатом является улучшение электрических характеристик и повышение их воспроизводимости, повышение надежности, снижение массогабаритных характеристик, уменьшение трудоемкости изготовления интегральной схемы СВЧ.The technical result is to improve electrical characteristics and increase their reproducibility, increase reliability, reduce weight and size characteristics, reduce the complexity of manufacturing an integrated circuit microwave.

Указанный технический результат достигается заявленной интегральной схемой СВЧ, содержащей диэлектрическую подложку, выполненную из алмаза, элементы интегральной схемы - активные и пассивные элементы, линии передачи, выводы, на обратной стороне диэлектрической подложки выполнено металлизационное покрытие, при этом элементы интегральной схемы электрически соединены и заземлены согласно ее электрической схемы,в которой на лицевой стороне упомянутой диэлектрической подложки дополнительно выполнен слой кристаллического полуизолирующего кремния толщиной не более 10 мкм,The specified technical result is achieved by the claimed microwave integrated circuit containing a dielectric substrate made of diamond, integrated circuit elements are active and passive elements, transmission lines, leads, a metallization coating is made on the reverse side of the dielectric substrate, while the integrated circuit elements are electrically connected and grounded according to its electrical circuit, in which on the front side of said dielectric substrate an additional layer of crystalline semi-insulated is made total silicon with a thickness of not more than 10 μm,

а элементы интегральной схемы - активные и пассивные элементы, линии передачи, выводы выполнены на поверхности этого слоя кристаллического полуизолирующего кремния,and elements of the integrated circuit - active and passive elements, transmission lines, conclusions are made on the surface of this layer of crystalline semi-insulating silicon,

при этом элементы интегральной схемы выполнены монолитно,while the elements of the integrated circuit are made integrally,

в упомянутой диэлектрической подложке и слое кристаллического полуизолирующего кремния выполнены сквозные металлизированные отверстия,through said dielectric substrate and a layer of crystalline semi-insulating silicon, through metallized holes are made,

а заземлена интегральная схема посредством этих сквозных металлизированных отверстий.and the integrated circuit is grounded through these through metallized holes.

Диэлектрическая подложка может быть выполнена из природного алмаза либо искусственного, в том числе поликристаллического CVD алмаза.The dielectric substrate can be made of natural diamond or artificial, including polycrystalline CVD diamond.

Металлизационное покрытие выполнено в виде прямой последовательности системы хорошо проводящих металлов, например, никель-золото, или титан-молибден-никель-золото, или титан-вольфрам-никель-золото с адгезионным подслоем.The metallization coating is made in the form of a direct sequence of a system of well-conducting metals, for example, nickel-gold, or titanium-molybdenum-nickel-gold, or titanium-tungsten-nickel-gold with an adhesive sublayer.

Интегральная схема СВЧ может быть выполнена, например, в виде усилителя мощности СВЧ, переключателя мощности СВЧ, драйвера.The microwave integrated circuit can be performed, for example, in the form of a microwave power amplifier, microwave power switch, driver.

Активный элемент выполнен, например, в виде нитрид галлиевого либо кремниевого полевого транзистора или диода.The active element is made, for example, in the form of gallium or silicon nitride field effect transistor or diode.

Линии передачи могут быть выполнены в виде копланарной, либо микрополосковой, либо щелевой.The transmission lines can be made in the form of coplanar, or microstrip, or slot.

Раскрытие сущности изобретения.Disclosure of the invention.

Совокупность существенных признаков заявленной интегральной схемы СВЧ, а именно когда:The set of essential features of the declared microwave integrated circuit, namely when:

на лицевой стороне упомянутой диэлектрической подложки дополнительно выполнен слой кристаллического полуизолирующего кремния толщиной не более 10 мкм,on the front side of said dielectric substrate, a layer of crystalline semi-insulating silicon with a thickness of not more than 10 μm is additionally made,

а элементы интегральной схемы - активные и пассивные элементы, линии передачи, выводы выполнены на поверхности этого слоя кристаллического полуизолирующего кремния и в совокупности, когда диэлектрическая подложка выполнена из алмаза, который является лучшим диэлектрическим материалом из известных на сегодня и при этом обладает наилучшей теплопроводностью (коэффициент теплопроводности алмаза - (1001-2600) Вт/(м×К)and integrated circuit elements - active and passive elements, transmission lines, conclusions are made on the surface of this layer of crystalline semi-insulating silicon and in the aggregate when the dielectric substrate is made of diamond, which is the best dielectric material known today and at the same time has the best thermal conductivity (coefficient thermal conductivity of diamond - (1001-2600) W / (m × K)

при этом элементы интегральной схемы выполнены монолитно,while the elements of the integrated circuit are made integrally,

в диэлектрической подложке, выполненной из алмаза, и слое кристаллического полуизолирующего кремния выполнены сквозные металлизированные отверстия.through metallized holes are made in a dielectric substrate made of diamond and a layer of crystalline semi-insulating silicon.

Это обеспечит:This will provide:

во-первых, возможность изготавливать на этом слое кристаллического полуизолирующего кремния все элементы интегральной схемы - активные элементы (полевые транзисторы и диоды), пассивные элементы, выводы и сквозные металлизированные отверстия в диэлектрической подложке, выполненной из алмаза, и слое кристаллического полуизолирующего кремния монолитно - в едином технологическом цикле, в том числе в условиях массового производства и, как следствие, - улучшение воспроизводимости электрических характеристик и снижение трудоемкости изготовления;firstly, the ability to produce on this layer of crystalline semi-insulating silicon all the elements of the integrated circuit - active elements (field effect transistors and diodes), passive elements, outputs and through metallized holes in a dielectric substrate made of diamond, and a layer of crystalline semi-insulating silicon monolithically - a single technological cycle, including in conditions of mass production and, as a result, improved reproducibility of electrical characteristics and reduced labor intensity laziness;

во-вторых, планарность конструкции необходимую для применения современных методов фотолитографии, проекционной литографии, электронной литографии, молекулярно-лучевой и газофазной эпитаксии и др. при изготовлении интегральной схемы СВЧ и, как следствие, - улучшение воспроизводимости электрических характеристик, снижение массогабаритных характеристик и трудоемкости изготовления;secondly, the planarity of the structure necessary for the application of modern methods of photolithography, projection lithography, electron lithography, molecular beam and gas-phase epitaxy, etc. in the manufacture of microwave integrated circuits and, as a result, improved reproducibility of electrical characteristics, reduced mass and size characteristics and the complexity of manufacturing ;

в-третьих, улучшение отвода тепла и в первую очередь от активных элементов и, как следствие, - значительное улучшение электрических характеристик и надежности интегральной схемы СВЧ за счет снижения температуры активных элементов.thirdly, an improvement in heat removal, primarily from active elements, and, as a result, a significant improvement in the electrical characteristics and reliability of the microwave integrated circuit by lowering the temperature of the active elements.

Выполнение слоя кристаллического полуизолирующего кремния толщиной более 10 мкм нежелательно, так как приводит:The implementation of a layer of crystalline semi-insulating silicon with a thickness of more than 10 microns is undesirable, as it leads to:

во-первых, к ухудшению отвода тепла от активных элементов,firstly, to the deterioration of heat removal from active elements,

во-вторых, к увеличению массогабаритных характеристик.secondly, to increase weight and size characteristics.

Выигрыш по эффективности отвода тепла можно оценить исходя из теплопроводности материала кристалла активного элемента и его конструкционной толщины.The gain in heat removal efficiency can be estimated based on the thermal conductivity of the crystal material of the active element and its structural thickness.

Исходя из этого выигрыш для нитрид-галлиевых транзисторов по сравнению с прототипом - на карбиде кремния составляет примерно 3 раза, а для кремниевых транзисторов - 10 раз (их коэффициент теплопроводности составляет (490, 150 Вт/(м×K соответственно).Proceeding from this, the gain for gallium nitride transistors compared to the prototype is about 3 times for silicon carbide, and 10 times for silicon transistors (their thermal conductivity is (490, 150 W / (m × K, respectively).

Выполнение в диэлектрической подложке из алмаза и слое кристаллического полуизолирующего кремния сквозных металлизированных отверстий обеспечивает заземление выводов каждого из элементов, предусмотренных электрической схемой, кратчайшим путем и, как следствие, - улучшение электрических характеристик, повышение их воспроизводимости и снижение массогабаритных характеристик интегральной схемы СВЧ.The implementation of through metallized holes in a dielectric substrate of diamond and a layer of crystalline semi-insulating silicon provides grounding of the terminals of each of the elements provided by the electrical circuit in the shortest way and, as a result, improves electrical characteristics, increases their reproducibility and reduces the overall dimensions of the microwave integrated circuit.

Итак, заявленная интегральная схема СВЧ в полной мере обеспечит заявленный технический результат, а именно - улучшение электрических характеристик и повышение их воспроизводимости, повышение надежности, снижение массогабаритных характеристик, уменьшение трудоемкости изготовления интегральной схемы СВЧ.So, the claimed microwave integrated circuit will fully provide the claimed technical result, namely, improving electrical characteristics and increasing their reproducibility, increasing reliability, reducing weight and size characteristics, reducing the complexity of manufacturing an integrated microwave circuit.

Заявленное изобретение поясняется чертежами.The claimed invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 дана топология заявленной интегральной схемы СВЧ, где:Figure 1 gives the topology of the claimed integrated circuit microwave, where:

- диэлектрическая подложка - 1,- dielectric substrate - 1,

- активные и пассивные элементы - 2 и 3 соответственно,- active and passive elements - 2 and 3, respectively,

- линии передачи - 4,- transmission lines - 4,

- выводы - 5,- conclusions - 5,

- металлизационное покрытие - 6,- metallization coating - 6,

- слой кристаллического полуизолирующего кремния - 7,- a layer of crystalline semi-insulating silicon - 7,

- сквозные металлизированные отверстия - 8.- through metallized holes - 8.

На фиг.2 (а, б), 3 (а, б), 4 (а, б) даны топологии частных случаев выполнения заявленной интегральной схемы - однокаскадного усилителя мощности СВЧ, переключателя мощности СВЧ и драйвера и их электрические схемы соответственно.Figure 2 (a, b), 3 (a, b), 4 (a, b) shows the topology of particular cases of the implementation of the claimed integrated circuit - a single-stage microwave power amplifier, microwave power switch and driver, and their electrical circuits, respectively.

На фиг.5 (кривые а, б) даны зависимости от рабочей частоты выходной мощности и коэффициента усиления однокаскадного усилителя мощности СВЧ соответственно.Figure 5 (curves a, b) shows the dependence on the operating frequency of the output power and the gain of a single-stage microwave power amplifier, respectively.

На фиг.6 (кривые а, б) зависимости от рабочей частоты величины выходной мощности и КПД однокаскадного усилителя мощности СВЧ соответственно.Figure 6 (curves a, b) depending on the operating frequency of the output power and efficiency of a single-stage microwave power amplifier, respectively.

На фиг.7 (кривые а, б) зависимости от рабочей частоты величины прямых и обратных потерь переключателя мощности СВЧ соответственно при входной мощности 5 Вт.In Fig. 7 (curves a, b), the direct and reverse losses of the microwave power switch, respectively, at an input power of 5 watts, depending on the operating frequency.

Примеры конкретного выполнения заявленной интегральной схемы СВЧ и частных случаев ее выполнения.Examples of specific performance of the claimed integrated circuit microwave and special cases of its implementation.

Пример 1.Example 1

На лицевой стороне диэлектрической подложки, выполненной из алмаза 1, толщиной 100 мкм выполнен слой кристаллического полуизолирующего кремния 7 толщиной 5 мкм,On the front side of the dielectric substrate made of diamond 1, a thickness of 100 μm made a layer of crystalline semi-insulating silicon 7 with a thickness of 5 μm,

на лицевой стороне которого (слоя кристаллического полуизолирующего кремния 7) монолитно выполнены - активные элементы 2 в виде мощного нитрид-галлиевого полевого транзистора с барьером Шотки (ПТШ) 2, пассивные элементы 3 в виде - индуктивности, емкости, сопротивления, линии передачи 4 типа копланарных, выводы 5, на обратной стороне - сплошное металлизационное покрытие 6 в виде прямой последовательности системы хорошо проводящих металлов титан-молибден-никель-золото общей толщиной 3 мкм,on the front side of which (a layer of crystalline semi-insulating silicon 7) monolithically made - active elements 2 in the form of a high-power gallium nitride field-effect transistor with a Schottky barrier (PTSh) 2, passive elements 3 in the form of inductance, capacitance, resistance, transmission line 4 of the coplanar type , conclusions 5, on the reverse side is a continuous metallization coating 6 in the form of a direct sequence of a system of well-conducting metals titanium-molybdenum-nickel-gold with a total thickness of 3 μm,

при этом элементы соединены электрически микрополосковыми линиями 4 с разными волновыми сопротивлениями согласно электрической схемы интегральной схемы СВЧ,wherein the elements are connected electrically by microstrip lines 4 with different wave impedances according to the electrical circuit of the microwave integrated circuit,

в диэлектрической подложке, выполненной из алмаза 1 и слое кристаллического полуизолирующего кремния 7, выполнены сквозные металлизированные отверстия 8, посредством которых интегральная схема заземлена согласно электрической схемы интегральной схемы СВЧ.in a dielectric substrate made of diamond 1 and a layer of crystalline semi-insulating silicon 7, through metallized holes 8 are made, through which the integrated circuit is grounded according to the electric circuit of the microwave integrated circuit.

При этом все указанные элементы интегральной схемы СВЧ изготавливают посредством методов тонкопленочной технологии (фотолитографии, проекционной литографии, электронной литографии, молекулярно-лучевой и газофазной эпитаксии и др.), обеспечивающей прецизионное изготовление всех элементов интегральной схемы СВЧ в едином технологическом цикле.At the same time, all of these elements of the microwave integrated circuit are manufactured using thin-film technology (photolithography, projection lithography, electron lithography, molecular beam and gas-phase epitaxy, etc.), which ensures the precision manufacturing of all elements of the microwave integrated circuit in a single technological cycle.

Примеры 2, 4, 5, 7, 8.Examples 2, 4, 5, 7, 8.

Аналогично примеру 1 выполнены частные случаи заявленной интегральной схемы СВЧ согласно топологии и электрической схемы каждого из указанных далее изделий - усилителя мощности СВЧ (пример 1, 2), мощного переключателя СВЧ (пример 4, 5), драйвера (пример 7, 8).Analogously to example 1, special cases of the declared microwave integrated circuit according to the topology and electrical circuit of each of the following products are made — microwave power amplifier (example 1, 2), high-power microwave switch (example 4, 5), driver (example 7, 8).

Примеры 3, 6, 9 соответствуют образцу прототипа.Examples 3, 6, 9 correspond to a prototype sample.

Работа заявленной интегральной схемы СВЧ рассмотрена также на примерах - однокаскадного усилителя мощности СВЧ, переключателя мощности СВЧ, драйвера.The operation of the claimed microwave integrated circuit is also considered with examples - a single-stage microwave power amplifier, microwave power switch, driver.

Однокаскадный усилитель мощности СВЧ.One-stage microwave power amplifier.

Однокаскадный усилитель мощности СВЧ выполнен на активном элементе - мощном нитрид-галлиевом полевом транзисторе с барьером Шотки (ПТШ) 2 по схеме с общим истоком. Схема содержит цепи согласования по входу, между каскадами и по выходу. Согласование осуществляется с помощью пассивных элементов 3 - согласующих конденсаторов (Сс) и отрезков микрополосковой линии передачи (L) 4. Для развязки между каскадами по постоянному току и подачи питания используются развязывающие конденсаторы (Ср) 3. Для блокировки источников питания используются блокировочные конденсаторы (Сбл) 3. Усилитель питается от двух источников питания. Один положительной полярности питает цепь стока нитрид галлиевого ПТШ 2, второй отрицательной полярности обеспечивает необходимое напряжение смещения на затворах нитрид галлиевого ПТШ 2.A single-stage microwave power amplifier is made on the active element - a powerful gallium nitride field-effect transistor with a Schottky barrier (PTSh) 2 according to the scheme with a common source. The circuit contains input matching circuits between cascades and output. Matching is carried out using passive elements 3 - matching capacitors (CC) and segments of the microstrip transmission line (L) 4. For isolation between cascades of direct current and power supply, decoupling capacitors (Cp) are used 3. Blocking capacitors are used to block power supplies (Sb) ) 3. The amplifier is powered by two power sources. One positive polarity feeds the drain circuit of gallium PTSh 2 nitride, the second negative polarity provides the necessary bias voltage on the gates of gallium PTSh 2 gates.

При подаче на вход усилителя входной мощности на выходе усилителя получается усиленный сигнал в диапазоне частот 9-10 ГГц.When applying input power to the amplifier input, an amplified signal is obtained at the amplifier output in the frequency range 9-10 GHz.

Переключатель мощности СВЧ.Microwave power switch.

Переключатель мощности СВЧ представляет собой транзисторную схему на переключаемых нитрид-галлиевых ПТШ 2. Переключатель мощности СВЧ работает в дискретном режиме в зависимости от управляющего напряжения U1 и U2 (0 или -40) В, поданного на его управляющие контакты.The microwave power switch is a transistor circuit for switchable gallium nitride PTSH 2. The microwave power switch operates in discrete mode depending on the control voltage U1 and U2 (0 or -40) V supplied to its control contacts.

При подаче на электроды затворов нитрид-галлиевых ПТШ 2 постоянного управляющего напряжения U величиной, равной 0 В, нитрид- галлиевые ПТШ 2 становятся открытыми, а при подаче на электроды затворов нитрид-галлиевых ПТШ 2 постоянного управляющего напряжения U величиной, равной -40 В, нитрид-галлиевые ПТШ 2 становятся закрытыми.When applying a constant control voltage U of a value of 0 V to gallium-nitride PTSh 2 gate electrodes, gallium PTSh 2 gates become open, and when a gallium nitride PTSh 2 gate electrodes supply a constant control voltage U of -40 V, gallium nitride PTSh 2 become closed.

Управляющее напряжение на электроды затворов нитрид-галлиевых ПТШ 2 переключателя мощности СВЧ подается в противофазе и всегда одна пара нитрид-галлиевых ПТШ закрыта, а другая открыта.The control voltage to the gate electrodes of the gallium nitride PTSh 2 microwave power switches is supplied in antiphase and always one pair of gallium nitride PTSh is closed and the other is open.

При подаче на управляющие контакты переключателя мощности СВЧ дискретных управляющих напряжений U1 и U2 (0 и -40) В напряжение на электроды затворов нитрид-галлиевых ПТШ подаются через развязывающие резисторы (R) 3, переключатель мощности СВЧ соединяет вход СВЧ с выходом СВЧ 1 и наоборот при подаче на управляющие контакты переключателя U1 и U2 дискретных управляющих напряжений (-40 В и 0) переключатель мощности СВЧ соединяет вход СВЧ с выходом СВЧ 2.When discrete control voltages U1 and U2 (0 and -40) are applied to the control contacts of the microwave power switch, voltage is applied to the gate electrodes of the gallium nitride gates through decoupling resistors (R) 3, the microwave power switch connects the microwave input to microwave output 1 and vice versa when applying to the control contacts of the switch U1 and U2 discrete control voltages (-40 V and 0), the microwave power switch connects the microwave input to the output of microwave 2.

Драйвер.Driver.

Драйвер представляет собой транзисторно-диодную схему на активных элементах 2 - кремниевых ПТШ и диодах. Драйвер работает в дискретном режиме, в зависимости от управляющего напряжения на его входе (0 или +5) В, при этом на выходах 1 и 2 драйвер выдает два парафазных напряжения U1 и U2 (0 и -40) В, необходимых для управления переключателем мощности СВЧ. Напряжение на электроды затворов кремниевых ПТШ 2 подаются через цепочки смещающих диодов (Д) 2, а два парафазных напряжения U1 и U2 (0 и -40) снимаются со стоков выходных кремниевых (ПТШ) 2.The driver is a transistor-diode circuit based on the active elements 2 - silicon PTSh and diodes. The driver operates in discrete mode, depending on the control voltage at its input (0 or +5) V, while at the outputs 1 and 2 the driver gives out two paraphase voltages U1 and U2 (0 and -40) V, necessary for controlling the power switch Microwave The voltage at the gate electrodes of silicon PTSh 2 is supplied through a chain of bias diodes (D) 2, and two paraphase voltages U1 and U2 (0 and -40) are removed from the drains of the output silicon (PTS) 2.

При подаче на вход драйвера напряжения 0 В на его двух выходах формируются напряжения U1=0 В и U2=-40 В и наоборот, при подаче на вход драйвера напряжения +5 В на его двух выходах формируются напряжения U1=-40 В и U2=0 В.When a voltage of 0 V is applied to the driver input, voltages U1 = 0 V and U2 = -40 V are generated at its two outputs, and vice versa, when a voltage of +5 V is applied to the driver input, voltages U1 = -40 V and U2 = are generated at its two outputs 0 V.

На образцах заявленной интегральной схемы СВЧ, однокаскадного усилителя мощности СВЧ и переключателя мощности СВЧ были измерены:On the samples of the claimed integrated circuit microwave, single-stage microwave power amplifier and microwave power switch were measured:

- зависимости от рабочей частоты выходной мощности и коэффициента усиления однокаскадного усилителя мощности СВЧ (фиг.5 кривые а, б) соответственно,- depending on the operating frequency of the output power and the gain of a single-stage microwave power amplifier (Fig. 5 curves a, b), respectively,

- зависимости от рабочей частоты величины выходной мощности и КПД однокаскадного усилителя мощности СВЧ (фиг.6 кривые а, б) соответственно,- depending on the operating frequency of the output power and efficiency of a single-stage microwave power amplifier (Fig.6 curves a, b), respectively,

- зависимости от рабочей частоты величины прямых и обратных потерь переключателя мощности СВЧ (фиг.7 кривые а, б) соответственно при входной мощности 5 Вт.- depending on the operating frequency of the magnitude of the direct and reverse losses of the microwave power switch (Fig. 7 curves a, b), respectively, with an input power of 5 watts.

Оценка надежности проводилась на образцах однокаскадного усилителя мощности по методике ЭТ-361 путем ускоренных испытаний.Reliability assessment was carried out on samples of a single-stage power amplifier according to the ET-361 method by means of accelerated tests.

Коэффициент ускорения определяется по формуле при Ea=0.8 эВ:The acceleration coefficient is determined by the formula at E a = 0.8 eV:

Figure 00000001
Figure 00000001

где Ea - энергия активации,where E a is the activation energy,

Тосн.н - температура номинального режима,T osn.n - temperature of the nominal mode,

Тосн.ф - температура форсированного режима.T osn.f - temperature of the forced mode.

Оценка показывает, что выигрыш по надежности - более 20 процентов (%).The assessment shows that the gain in reliability is more than 20 percent (%).

Из представленных зависимостей фиг.5 (кривые а, б), фиг.6 (кривые а, б), фиг.7 (кривые а, б) видно, что:From the presented dependencies of Fig. 5 (curves a, b), Fig. 6 (curves a, b), Fig. 7 (curves a, b) it can be seen that:

- коэффициент усиления, выходная мощность и КПД в рабочей полосе частот имеют резонансный характер и равны примерно (9-10) дБ, (4-5) Вт и (40-45) процентов соответственно для однокаскадного усилителя мощности СВЧ (фиг.5 кривые а, 6 и фиг.6 кривые а, б) соответственно,- the gain, output power and efficiency in the working frequency band are resonant in nature and equal to approximately (9-10) dB, (4-5) W and (40-45) percent, respectively, for a single-stage microwave power amplifier (Fig. 5 curves a 6 and 6, curves a, b), respectively,

- величина прямых потерь в рабочей полосе частот равна примерно (0,9-1,1) дБ, величина обратных потерь равна (25-22) дБ фиг.7 кривые а-б) соответственно при входной мощности 5 Вт.- the magnitude of direct losses in the working frequency band is approximately (0.9-1.1) dB, the magnitude of the return losses is (25-22) dB in Fig. 7 curves a-b), respectively, at an input power of 5 W.

Таким образом, заявленная интегральная схема СВЧ позволит по сравнению с прототипом:Thus, the claimed microwave integrated circuit will allow, in comparison with the prototype:

- увеличить коэффициент усиления на 30%,- increase the gain by 30%,

- повысить выходную мощность примерно на 20%,- increase the output power by about 20%,

- увеличить КПД на 10%,- increase efficiency by 10%,

- уменьшить прямые потери на 10%,- reduce direct losses by 10%,

- увеличить обратные потери на 2 дБ,- increase the return loss by 2 dB,

- повысить надежность примерно на 20%,- increase reliability by about 20%,

- значительно снизить массогабаритные характеристики примерно в 2 раза.- significantly reduce weight and size characteristics by about 2 times.

Данная интегральная схема СВЧ с высокими электрическими характеристиками, высокой надежностью и малыми массогабаритными характеристиками особенно востребована в радиолокационных станциях с фазированными антенными решетками, в состав которых, как указано выше, входит множество (более тысячи) идентичных элементов - изделий.This microwave integrated circuit with high electrical characteristics, high reliability and small weight and size characteristics is especially in demand in radar stations with phased antenna arrays, which, as indicated above, include many (more than a thousand) identical elements - products.

Источники информацииInformation sources

1. Патент РФ №2067362 МПК, приоритет 26.05.1983 г., опубл. 27.09.1996 г.1. RF patent No. 2067362 IPC, priority 05/26/1983, publ. 09/27/1996

2. Патент РФ №2258330 МПК H05K 3/10, приоритет 01.08.2003 г., опубл. 10.08.2005 г.2. RF patent №2258330 IPC H05K 3/10, priority 01.08.2003, publ. 08/10/2005

3. Патент РФ №2474921 МПК H01L 27/00, H05K 1/00, приоритет 30.08.2011 г., опубл. 10.02.2013 г. - прототип.3. RF patent No. 2474921 IPC H01L 27/00, H05K 1/00, priority 08/30/2011, publ. 02/10/2013, the prototype.

ТаблицаTable № п/пNo. p / p Конструкционные параметрыConstruction parameters Измеренные характеристики Measured characteristics Усилитель мощностиAmplifier Переключатель мощностиPower switch ДрайверDriver Толщина слоя кристаллического полуизолирующего кремния, мкмThe thickness of the layer of crystalline semi-insulating silicon, microns Тип исполненияType of execution Ку, дБKu, db Рвых, ВтBurst, W КПД, %Efficiency% Прямые потери, дБDirect loss, dB Обратные потери, дБReturn loss, dB Uвx, ВUвx, В U1, ВU1, B U2, ВU2, V 1one 55 монолитноеmonolithic 9-109-10 4-54-5 40-4540-45 -- -- -- -- -- 22 1010 монолитноеmonolithic 8,5-9,58.5-9.5 3,5-4,53.5-4.5 35-4035-40 -- -- -- -- -- прототипprototype отсутствуетabsent гибридно-монолитноеhybrid monolithic 8-98-9 3-43-4 30-3530-35 -- -- -- -- -- 1one 55 монолитноеmonolithic -- -- -- 0,9-1,10.9-1.1 25-2225-22 -- -- -- 22 1010 монолитноеmonolithic -- -- -- 1-1,21-1,2 24-2124-21 -- -- -- прототипprototype отсутствуетabsent гибридно-монолитноеhybrid monolithic -- -- -- 1,4-1,61.4-1.6 23-2023-20 -- -- -- 1one 55 монолитноеmonolithic -- -- -- -- -- 00 00 -40-40 +5+5 -40-40 00 22 1010 монолитноеmonolithic -- -- -- -- -- 00 00 -40-40 +5+5 -40-40 00 прототипprototype отсутствуетabsent гибридно-монолитноеhybrid monolithic -- -- -- -- -- 00 00 -40-40 +5+5 -40-40 00

Claims (6)

1. Интегральная схема СВЧ, содержащая диэлектрическую подложку, выполненную из алмаза, элементы интегральной схемы - активные и пассивные элементы, линии передачи, выводы, на обратной стороне диэлектрической подложки выполнено металлизационное покрытие, при этом элементы интегральной схемы электрически соединены и заземлены согласно ее электрической схемы, отличающаяся тем, что на лицевой стороне упомянутой диэлектрической подложки дополнительно выполнен слой кристаллического полуизолирующего кремния толщиной не более 10 мкм, а элементы интегральной схемы - активные и пассивные элементы, линии передачи, выводы выполнены на поверхности этого слоя кристаллического полуизолирующего кремния, при этом элементы интегральной схемы выполнены монолитно, в упомянутой диэлектрической подложке и слое кристаллического полуизолирующего кремния выполнены сквозные металлизированные отверстия, а заземлена интегральная схема посредством этих сквозных металлизированных отверстий.1. A microwave integrated circuit containing a dielectric substrate made of diamond, integrated circuit elements — active and passive elements, transmission lines, leads, a metallization coating is made on the reverse side of the dielectric substrate, while the integrated circuit elements are electrically connected and grounded according to its electrical circuit characterized in that on the front side of said dielectric substrate, a layer of crystalline semi-insulating silicon with a thickness of not more than 10 μm is additionally made, and nt integrated circuit - active and passive elements, transmission lines, conclusions are made on the surface of this layer of crystalline semi-insulating silicon, while the elements of the integrated circuit are made integrally, in the aforementioned dielectric substrate and the layer of crystalline semi-insulating silicon, through metallized holes are made, and the integrated circuit is grounded by means of these through metallized holes. 2. Интегральная схема СВЧ по п.1, отличающаяся тем, что диэлектрическая подложка может быть выполнена из природного алмаза либо искусственного, в том числе поликристаллического CVD алмаза.2. The microwave integrated circuit according to claim 1, characterized in that the dielectric substrate can be made of natural diamond or artificial, including polycrystalline CVD diamond. 3. Интегральная схема СВЧ по п.1, отличающаяся тем, что металлизационное покрытие выполнено в виде прямой последовательности системы хорошо проводящих металлов, например, никель-золото, или титан-молибден-никель-золото, или титан-вольфрам-никель-золото с адгезионным подслоем.3. The microwave integrated circuit according to claim 1, characterized in that the metallization coating is made in the form of a direct sequence of a system of well-conducting metals, for example, nickel-gold, or titanium-molybdenum-nickel-gold, or titanium-tungsten-nickel-gold with adhesive sublayer. 4. Интегральная схема СВЧ по п.1, отличающаяся тем, что интегральная схема СВЧ может быть выполнена, например, в виде усилителя мощности СВЧ, переключателя мощности СВЧ, драйвера.4. The microwave integrated circuit according to claim 1, characterized in that the microwave integrated circuit can be performed, for example, in the form of a microwave power amplifier, microwave power switch, driver. 5. Интегральная схема СВЧ по п.1, отличающаяся тем, что активный элемент выполнен, например, в виде нитрид-галлиевого либо кремниевого полевого транзистора или полупроводникового диода.5. The microwave integrated circuit according to claim 1, characterized in that the active element is made, for example, in the form of gallium nitride or silicon field-effect transistor or semiconductor diode. 6. Интегральная схема СВЧ по п.1, отличающаяся тем, что линии передачи могут быть выполнены в виде копланарной, либо микрополосковой, либо щелевой. 6. The microwave integrated circuit according to claim 1, characterized in that the transmission lines can be made in the form of coplanar, or microstrip, or slotted.
RU2013159284/28A 2013-12-30 2013-12-30 Microwave integrated circuit RU2556271C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013159284/28A RU2556271C1 (en) 2013-12-30 2013-12-30 Microwave integrated circuit

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013159284/28A RU2556271C1 (en) 2013-12-30 2013-12-30 Microwave integrated circuit

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2556271C1 true RU2556271C1 (en) 2015-07-10

Family

ID=53538735

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013159284/28A RU2556271C1 (en) 2013-12-30 2013-12-30 Microwave integrated circuit

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2556271C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2654970C1 (en) * 2017-05-02 2018-05-23 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") Microwave integrated circuit
RU2782184C1 (en) * 2021-12-03 2022-10-21 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") Microwave integrated circuit

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040157386A1 (en) * 2001-07-31 2004-08-12 Chrysler Gregory M. Electronic assembly including a die having an integrated circuit and a layer of diamond to transfer heat
RU2285977C1 (en) * 2005-03-21 2006-10-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП НПП "Исток") Metal-plated diamond wafer and its manufacturing process
RU2436189C1 (en) * 2010-06-25 2011-12-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП НПП "Исток") Metallised plate of diamond for products of electronic engineering
RU2474921C1 (en) * 2011-08-30 2013-02-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП НПП "Исток") Integrated microwave circuit

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040157386A1 (en) * 2001-07-31 2004-08-12 Chrysler Gregory M. Electronic assembly including a die having an integrated circuit and a layer of diamond to transfer heat
RU2285977C1 (en) * 2005-03-21 2006-10-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП НПП "Исток") Metal-plated diamond wafer and its manufacturing process
RU2436189C1 (en) * 2010-06-25 2011-12-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП НПП "Исток") Metallised plate of diamond for products of electronic engineering
RU2474921C1 (en) * 2011-08-30 2013-02-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП НПП "Исток") Integrated microwave circuit

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2654970C1 (en) * 2017-05-02 2018-05-23 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") Microwave integrated circuit
RU2803110C2 (en) * 2020-04-24 2023-09-06 Общество с ограниченной ответственностью "НАНОКЕРАМИКС" Microwave integrated circuit
RU2814457C1 (en) * 2020-12-30 2024-02-28 Чансинь Мемори Текнолоджис, Инк. Method of making semiconductor device and semiconductor device
RU2782184C1 (en) * 2021-12-03 2022-10-21 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") Microwave integrated circuit
RU2782187C1 (en) * 2021-12-28 2022-10-21 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") Microwave integrated circuit
RU2810241C1 (en) * 2023-06-09 2023-12-25 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" Monolithic integrated circuit of high-power uhf switch
RU2810691C1 (en) * 2023-07-07 2023-12-28 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" Method for manufacturing monolithic microwave integrated circuit

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Campbell et al. A wideband power amplifier MMIC utilizing GaN on SiC HEMT technology
Joshin et al. Outlook for GaN HEMT technology
Chung et al. AlGaN/GaN HFET power amplifier integrated with microstrip antenna for RF front-end applications
Yu et al. A Ka band 15W power amplifier MMIC based on GaN HEMT technology
Micovic et al. GaN mmic pas for e-band (71 ghz-95 ghz) radio
RU2474921C1 (en) Integrated microwave circuit
Margomenos et al. X band highly efficient GaN power amplifier utilizing built-in electroformed heat sinks for advanced thermal management
WO2023121644A1 (en) Semiconductor device for rf integrated circuit
RU2556271C1 (en) Microwave integrated circuit
Chen et al. A compact 70 watt power amplifier MMIC utilizing S-band GaN on SiC HEMT process
Alexander et al. A 120 watt GaN power amplifier MMIC utilizing harmonic tuning circuits for S-band applications
Mizojiri et al. Demonstration of sub-terahertz coplanar rectenna using 265 GHz gyrotron
RU2654970C1 (en) Microwave integrated circuit
Noh et al. A 16 watt X-band GaN high power amplifier MMIC for phased array applications
Gu et al. An S-band 350W internally matched solid-state power amplifier using GaN power HEMTs
Jardel et al. First demonstration of alinn/gan hemts amplifiers at k band
Nilsson et al. S-band discrete and MMIC GaN power amplifiers
Formicone A highly manufacturable 75–150 VDC GaN-SiC RF technology for radars and particle accelerators
Giofrè et al. A GaN MMIC HPA with 50W output power and 50% PAE for S-band radar systems
Piotrowicz et al. Broadband hybrid flip-chip 6-18 GHz AlGaN/GaN HEMT amplifiers
Wu et al. A compact 100W, 68% class F GaN power amplifier for L-band GPS
Yu et al. A millimeter wave 11W GaN MMIC power amplifier
Lavanga et al. High voltage breakdown pHEMTs for C-band HPA
Lanzieri et al. Wide bandgap technology: The right solution for Space and Defense market
Zheng et al. S-band broadband high power GaN amplifier for digital T/R modules