專利名稱：微波大功率，低限幅電平的砷化鎵pin管限幅器單片電路的制作方法
技術領域：
本發明是一種微波大功率、低限幅電平的砷化鎵(GaAs)PIN管限幅器單片電路。 采用3英寸GaAs pin 二極管單片工藝，限幅器單片電路具有通過功率大，插入損耗小，應用 頻率高，泄露電平低，體積小，使用方便的特點。屬于微波單片集成電路領域。
背景技術：
在微波毫米波系統中，為防止接收機的前置低噪聲放大器(LNA)被發射的泄露功 率燒毀，需在低噪聲放大器前面安置限幅器。見附圖1。限幅器通常采用PIN 二極管實現， 通過控制PIN 二極管的工作狀態，在小功率微波信號時以較小的差損順利，而通過高功率 的微波信號時，則被衰減到較低的功率電平，這樣可以有效地保護低噪聲放大器(LNA)。限幅器電路目前有兩種形式，一種是采用分立的硅(Si)材料的PIN 二極管，采用 混合電路的方式完成，其特點是體積大，插入損耗大，工作頻帶低。另一種是采用砷化鎵 (GaAs)集成電路工藝，限幅器單片具有體積小，插入損耗小，應用頻率高，使用方便的特點。 但通過的功率小。砷化鎵(GaAs)PIN 二極管單片集成電路工藝和通常的砷化鎵(GaAs)高電子遷移 率贗配場效應晶體管(PHEMT)單片工藝截然不同，從材料結構到加工的工序和方法都存在 較大的差異。因此在公開發表的文章中，針對GaAsPIN 二極管單片電路工藝介紹十分簡單。單片限幅器電路及其加工工藝的設計需要結合電路拓撲結構，材料結構，PIN 二極 管工藝等等，這一切又和具體的GaAs單片加工線密切相關，無法從國內外公開發表的文獻 中復制，因此一方面增大了研究的難度，另一方面也說明本發明的獨特性。目前傳統的砷化鎵(GaAs)限幅器單片電路，其最大通過功率水平一般是5W，最大 輸出限幅電平約17dBm。隨著微波系統的發展，要求限幅器通過功率不斷增加，限幅電平不 斷減小。
發明內容
本發明提出的是一種微波大功率、低限幅電平的砷化鎵(GaAs)PIN管限幅器單片 電路，其目的旨在通過電路結構的設計，增加了功率容量，減小了限幅電平，滿足了系統的 要求。本發明的技術解決方案其特征是采用3級結構設計，限幅器單片電路第1級采 用6個砷化鎵(GaAs)PIN 二極管的對管結構，其中3個砷化鎵(GaAs)PIN 二極管陰陽極相 串聯，陽極連接微波信號傳輸線，陰極連接地，另3個砷化鎵(GaAs)PIN 二極管陰陽極相串 聯，陰極連接微波信號傳輸線，陽極連接地；第1級的6個砷化鎵(GaAs) PIN 二極管，大小相 同，結構相同；微波信號通過第1級時，當信號電壓幅度小于砷化鎵(GaAs)PIN 二極管的開 啟電壓，砷化鎵(GaAs)PIN 二極管不工作，接地的并聯支路等效于一個并聯電容，微波信號 通過；當信號電壓幅度大于砷化鎵(GaAs)PIN二極管的開啟電壓，砷化鎵(GaAs)PIN二極管 導通，接地的并聯支路等效于一個并聯小電阻，微波信號通過電阻到地，大大減小了輸出的信號功率；限幅器單片電路的第2級和第3級采用相同的二極管的對管結構，其中1個砷化 鎵(GaAs)PIN二極管陽極連接微波信號傳輸線，陰極連接地；另1個砷化鎵(GaAs)PIN二極 管陰極連接微波信號傳輸線，陽極連接地，當微波信號通過第2級和第3級，其工作原理同 上，用于消除功率尖峰，進一步降低限幅電平。本發明的限幅器單片電路的設計采用LC的濾波器結構，并聯的二極管的結電容 代替LC的濾波器結構中的并聯電容，電感利用高阻的微帶線替代；為了達到良好的輸入、 輸出駐波特性，單片中采用了微帶線匹配設計，通過CAD優化設計，保證在微波頻帶內，有 較小的插損和駐波。限幅器的芯片面積小，大小為1. 7mm*0. 78mm,厚lOOum。采用通孔接地，裝配時用 導電膠粘接或焊料燒結，壓絲只需連接輸入和輸出端口，應用方便。限幅器的典型參數(IOGHz)插入損耗小于0. 5dB，連續波通過功率大于10w，泄露 電平小于13dBm。在工藝上，建立了 3英寸的GaAs PIN二極管單片集成電路標準工藝，根據PIN二極 管的特點，采用濕法腐蝕技術，完成PIN 二極管的關鍵工藝加工。借鑒PHEMT的單片工藝， 形成GaAs PIN 二極管單片集成電路標準工藝。首先形成PIN 二極管陽極的金屬化，然后濕法腐蝕二極管臺面，再形成二極管陰 極的金屬化、完成臺面隔離，介質保護，接下來進行微帶線的光刻、金屬化及剝離工藝，最后 是背面通孔及金屬化工藝。本發明的優點該單片電路一方面滿足通訊系統大功率工作條件，有效的保護 LNA，保證系統正常工作。另一方面具有體積小，插入損耗小，泄露功率小的特點。提高系統 集成度，優化性能，降低系統的接收噪聲。具體地說信號通過的功率大，限幅器第一級采用 6個PIN 二極管的對管結構，提高了擊穿電壓，增大了功率容量。目前在IOGHz可以通過連 續波llw。國外的一些產品第一級采用2個PIN 二極管的對管結構，其最大通過的連續波 5w。限幅器的泄露電平小。限幅器采用3級結構，降低了限幅電平。最大限幅電平13dBm。 芯片面積小，只有1. 7mm*0. 78mm。采用通孔接地，只需連接輸入和輸出端口，應用方便。
附圖1是本發明在微波通訊系統中的應用示意圖。附圖2是本發明的電路結構示意圖附圖3是本發明采用的GaAs PIN 二極管的縱向結構示意圖附圖4是本發明采用的GaAs PIN 二極管的平面結構示意圖附圖5是本發明的外形結構尺寸圖。(單位um)附圖6是本發明的芯片壓絲示意圖
具體實施例方式對照附圖1，其結構是信號編碼處理器的信號輸出端與功率放大器的信號輸入端 相接，功率放大器的信號輸出端與環行器的信號輸入端相接，環行器的第一信號輸出端與 天線的信號輸入端相接，環行器的第二信號輸出與限幅器的信號輸入端相接，限幅器的信 號輸出端與低噪聲放大器的信號輸入端相接，低噪聲放大器的信號輸出端與信號編碼處理
4器的信號輸入端相接。基帶信號經過信號編碼處理后，通過發射支路，由功率放大器放大，再經過環形器 后通過天線發射出去。接收信號由天線輸入經過環形器進入限幅器，再經低噪放放大后進 入接收處理單元進行解碼處理。限幅器單片電路在這種應用方式中的工作模式是發射狀 態時，由于環行器的隔離度有限，因此部分信號功率泄露到限幅器的輸入端，特別是發射功 率比較大時，限幅器的輸入功率就越大。通常低噪聲放大器的最大輸入功率在17dBm或更 小。因此需要限幅器有較小的限幅電平。在接收狀態，接收的信號經環行器到達限幅器，因 為接收信號的功率非常小，因此限幅器電路中的二極管不開啟工作，限幅器呈導通態。接收 信號到達低噪聲放大器。另外在天線失配等異常情況，發射功率可能直接輸入限幅器，因此 限幅器需要大的承受功率能力，才能保護低噪聲放大器不損壞。對照附圖2，限幅器單片電路采用3級結構設計，限幅器單片電路第一級采用6個 PIN二極管的對管結構，其中3個PIN二極管陰陽極相串聯，陽極連接微波信號傳輸線，陰極 連接地，另3個PIN 二極管陰陽極相串聯，陰極連接微波信號傳輸線，陽極連接地；第1級的 6個Pim 二極管，大小相同，結構相同；微波信號通過第1級時，當信號電壓幅度小于PIN二 極管的開啟電壓，PIN 二極管不工作，接地的并聯支路等效于一個并聯電容，微波信號通過； 當信號電壓幅度大于PIN 二極管的開啟電壓，PIN 二極管導通，接地的并聯支路等效于一個 并聯小電阻，微波信號通過電阻到地，大大減小了輸出的信號功率。限幅器單片電路的第2級和第3級采用相同的二極管的對管結構，其中1個PIN2 二極管和PIN3 二極管陽極連接微波信號傳輸線，陰極連接地；另1個PIN2 二極管和PIN3 二極管陰極連接微波信號傳輸線，陽極連接地。當微波信號通過第2級和第3級，其工作原 理同上，用于消除功率尖峰，進一步降低限幅電平。調節微帶線Li，L2，L3，L4的寬度和長度，可以優化限幅器電路的微波S參數，以 達到設計要求。對照附圖3，是PIN 二極管的縱向結構示意圖。采用MOCVD或MBE技術，在GaAs園 片中形成PIN 二極管的材料層結構，包括P型GaAs層、不摻雜的GaAs層、N型GaAs層和絕 緣的GaAs層。通過GaAs PIN 二極管的單片工藝，完成臺面腐蝕，形成獨立的P型GaAs層臺面， 并分別在P型GaAs層上形成陽極電極，N型GaAs層上形成陰極電極。然后進行器件的隔 離工藝，腐蝕掉無用區域。最后在絕緣的GaAs層形成陰極引出線、陽極引出線、微帶線和壓
點ο對照附圖4，是PIN二極管的平面結構示意圖。陽極電極采用圓形結構，工藝簡單， 陽極電極的大小決定了 PIN 二極管的面積，二極管的結電容，是設計的關鍵參數。陰極采用 半圓形的環繞結構，保證電場分布均勻，可以提高可靠性。對照附圖5，是PIN限幅器單片的芯片大小及壓點位置。單片長1700um，寬780um。 厚度100um。圖中標示了輸入端壓點和輸出端壓點的位置，同時單片上有文字標示，IN表 示輸入端，OUT表示輸出端。對照附圖6，是限幅器單片的裝配示意圖。芯片可以采用焊料燒結，也可采用導電 膠粘接。一般采用焊料燒結的散熱效果好。輸入端壓點和輸出端壓點，采用金絲和外部微 帶線連接，推薦采用兩根金絲連接。裝配時限幅器的輸入端必須對應信號的傳輸方向。
實施例a)GaAs PIN 二極管的設計。首先確定GaAs PIN 二極管的模型參數，包括GaAs PIN 二極管的結電容，擊穿電 壓，導通電阻等參數。根據限幅器的性能要求，選擇不同的二極管PIN1，PIN2，PIN3。并確 定其最小面積。GaAs PIN 二極管的平面圖形可以是圓形，也可以是其它形狀。如圖4所示， 則確定其最小圖形半徑(圖4中陽極的半徑)。b)GaAs PIN 二極管限幅器的設計。根據圖2的電路結構原理，進行微波CAD仿真，選擇二極管的結電容，調節微帶線 L1，L2，L3，L4的寬度和長度，優化限幅器電路的微波S參數，以達到設計要求。最后根據電 路原理進行版圖布局。PINl 二極管陽極半徑 21. 5um，PIN2 二極管陽極半徑13um，PIN3 二極管陽極半徑13um，微帶線Ll 寬 15um，長 200um微帶線L2 寬 15um，長 1200um
微帶線 L3 寬 15um，長 1200um微帶線L4 寬 15um，長 200um壓點 PADl 寬 80um，長 IOOum壓點 PAD2 寬 80um，長 IOOum按上述要求完成電路拓撲結構。
權利要求
微波大功率，低限幅電平的砷化鎵PIN管限幅器單片電路，其特征是采用3級結構設計，限幅器單片電路第1級采用6個砷化鎵PIN二極管的對管結構，其中3個砷化鎵PIN二極管陰陽極相串聯，陽極連接微波信號傳輸線，陰極連接地，另3個砷化鎵PIN二極管陰陽極相串聯，陰極連接微波信號傳輸線，陽極連接地；第1級的6個砷化鎵PIN二極管，大小相同，結構相同；微波信號通過第1級時，當信號電壓幅度小于砷化鎵PIN二極管的開啟電壓，砷化鎵PIN二極管不工作，接地的并聯支路等效于一個并聯電容，微波信號通過；當信號電壓幅度大于砷化鎵PIN二極管的開啟電壓，砷化鎵PIN二極管導通，接地的并聯支路等效于一個并聯小電阻，微波信號通過電阻到地，大大減小了輸出的信號功率；限幅器單片電路的第2級和第3級采用相同的二極管的對管結構，其中1個砷化鎵PIN二極管陽極連接微波信號傳輸線，陰極連接地；另1個砷化鎵PIN二極管陰極連接微波信號傳輸線，陽極連接地，當微波信號通過第2級和第3級，其工作原理同上，用于消除功率尖峰，進一步降低限幅電平。
2.根據權利要求1所述的微波大功率，低限幅電平的砷化鎵PIN管限幅器單片電路，其 特征是限幅器單片電路的設計采用LC的濾波器結構，并聯的二極管的結電容代替LC的濾 波器結構中的并聯電容，電感利用高阻的微帶線替代。
全文摘要
本發明是微波大功率，低限幅電平的砷化鎵(GaAs)PIN管限幅器單片電路，采用3級結構設計，第1級采用6個相同的GaAs PIN二極管的對管結構，其中3個砷化鎵PIN二極管陰陽極相串聯，陽極連接微波信號傳輸線，陰極連接地，另3個砷化鎵PIN二極管陰陽極相串聯，陰極連接微波信號傳輸線，陽極連接地；第2級和第3級采用相同的二極管的對管結構，其中1個砷化鎵PIN二極管陽極連接微波信號傳輸線，陰極連接地；另1個砷化鎵PIN二極管陰極連接微波信號傳輸線，陽極連接地。優點單片限幅器的信號通過的功率大，泄露電平小。應用方便。可通過3英寸砷化鎵PIN二極管單片工藝批量生產，一致性好，成本低。
文檔編號H03G11/02GK101938259SQ20101025415
公開日2011年1月5日 申請日期2010年8月16日 優先權日2010年8月16日
發明者劉軍霞, 蔣東銘, 陳新宇 申請人:中國電子科技集團公司第五十五研究所