專利名稱：：毫米波功率級單片收/發集成電路的制作方法
技術領域：
：本實用新型涉及一種集成電路，具體地說，是涉及一種毫米波功率級單片收/發集成電路。技術背景單片級微波毫米波集成電路(MMIC)是一種把有源(含多個場效應晶體管)和無源器件制作在同一塊砷化鎵(GaAs)或磷化銦(InP)襯底基片上的微波電路。其工作頻率從lGHz到lOOGHz以內，廣泛用于各種不同技術及電路中。而工作在30GHz以上的單片電路，也稱為單片毫米波集成電路。這種電路設計靈活，元器件密度高，引線和焊點少，具有體積小，耗電省，可靠性高，工作頻帶寬，一致性好等優點。在無線通信領域，由于低頻段頻率的擁擠，電路向頻段高端的毫米波段發展，例如，在24G、40G、60G的LMDS(本地多點分布通信系統)；24G、76G汽車防撞雷達；機載雷達。通信雷達的高速發展，使得對毫米波單片電路的需求越來越大，特別是相控陣雷達的出現，是21世紀期間機載雷達的革命。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種毫米波功率級單片收/發集成電路，實現對高頻段信號的收發。為了實現上述目的，本實用新型采用如下方案-毫米波功率級單片收/發集成電路，其特征在于，所述集成電路包括前級開關電路SPDT1、末級開關電路SPDT2、功率放大電路MPA和低噪聲放大電路LNA，前級開關電路SPDT1設置于集成電路的輸入端，且其兩個輸出端0UT1、0UT2分別與功率放大電路MPA輸入端、低噪聲放大電路LNA輸出端相連，而末級開關電路SPDT2設置于集成電路的輸出端，其兩個輸入端IN1、IN2分別與功率放大電路MPA輸出端、低噪聲放大電路LNA輸入端相連。所述前級開關電路SPDT1包括場效應管Ql、場效應管Q4和電阻Rl、電阻R2、電阻R3、電阻R4，其中，場效應管Ql和場效應管Q4完全對稱設置，場效應管Ql的漏極D和場效應管Q4的源極S相連并作為前級開關電路SPDT1的輸入端V^;場效應管Q1的柵極G、電阻Rl和電阻R2依次連接后與場效應管Q4的柵極G相連，場效應管Ql的源極S和場效應管Q4的漏極D分別作為前級開關電路SPDT1的兩個輸出端0UT1和0UT2;電阻R3—端與場效應管Ql的柵極G相連，另一端與電源VI相連；電阻R4—端與場效應管Q4的柵極G相連，另一端與電源V2相連；電阻R1和電阻R2的連接端還與電源Vg相連。所述末級開關電路SPDT2由場效應管Q7和電阻R5、電阻R6組成，其中，場效應管Q7的源極S作為末級開關電路SPDT2的輸出端V。UT，并與功率放大電路MPA的輸出端相連；漏極D作為末級開關電路SPDT2的輸入端IN2與低噪聲放大電路LNA的輸入端相連；電阻R5—端與場效應管Q7的柵極G相連，另一端與電源Vg相連；電阻R6—端與場效應管Q7的柵極G相連，另一端與電源V2相連。所述集成電路設有自給偏置電路，由場效應管FET、電阻R、電容C1、電容C2、電容C3、電容C4、電感L1、電感L2和匹配耦合器組成，其中，場效應管FET的柵極G與電容Cl相連，電容Cl的另一端作為自給偏置電路的輸入端，電感Ll一端與場效應管FET的柵極G相連，另一端接地；電阻R和電容C2并聯后一端與場效應管FET的源極S相連，另一端接地；場效應管FET的漏極D分別與匹配耦合器和電感L2相連，而匹配耦合器的另一端與電容C4相連，電容C4的另一端作為輸出端，電感L2的另一端連接電容C3后接地，同時，電容C3的輸入端還與電源V。相連。所述功率放大電路MPA由兩級自給偏置電路和去耦電路組成，其中，第一級自給偏置電路的輸入端通過一個匹配耦合器與前級開關電路SPDT1的輸出端0UT1相連，第一級自給偏置電路的電容C4同時兼作為第二級自給偏置電路的電容Cl，而第二級自給偏置電路的電容C4與末級開關電路SPDT2中場效應管Q7的源極S相連，第二級自給偏置電路的負載電阻還與電源V1相連；去耦電路包括電感L5和電容C5、C6，電感L5兩端分別連接第一級自給偏置電路的負載電阻和第二級自給偏置電路的負載電阻，電容C5—端分別與第一級自給偏置電路的負載電阻和前級開關電路SPDT1的電阻R3相連，另一端接地，電容C6—端與第二級自給偏置電路的負載電阻相連，另一端接地。所述低噪聲放大電路LNA由三級自給偏置電路和去耦電路組成，其中，第一級自給偏置電路的輸入端與末級開關電路SPDT2的輸入端IN2相連，第一級自給偏置電路的電容C4同時作為第二級自給偏置電路的電容Cl，第二級自給偏置電路的電容C4同時作為第三級自給偏置電路的電容C1，而第三級自給偏置電路的電容C4與前級開關電路的輸出端0UT2相連，同時第三級自給偏置電路的負載電阻還與電源V2相連；去耦電路包括電感L6、L7和電容C7、C8、C9，電感L6兩端分別連接第一級自給偏置電路的負載電阻和第二級自給偏置電路的負載電阻，電感L7兩端分別連接第二級自給偏置電路的負載電阻和第三級自給偏置電路的負載電阻，電容C7—端分別與第一級自給偏置電路的負載電阻和末級開關電路SPDT2的電阻R6相連，另一端接地，電容C8—端與第二級自給偏置電路的負載電阻相連，另一端接地，電容C9一端與第三級自給偏置電路的負載電阻相連，另一端接地。所述末級開關電路SPDT2與功率放大電路MPA設有一個共用功放FET2。本實用新型從原理上看由三部分組成SPDT開關電路、功率放大電路MPA和低噪聲放大電路LNA，其原理框圖如圖1。下面對本實用新型的電路設計作進一步描述。1.SPDT開關電路開關電路包括前級開關電路SPDT1和末級開關電路SPDT2。本實用新型的前級開關電路SPDT1和末級開關電路SPDT2采用相同的設計原理，并在位置上成對稱設置。如圖2所示，前級開關電路SPDT1以兩個柵寬為200umFET場效應管為主，輔以部分電阻構成。在電路布圖上，采用上下對稱的兩組電路構成開關的雙刀，Ql、Q4的柵級偏壓由Vg(+5V)提供，Ql的柵極作為控制信號的輸入端(Vl，+5V),只要控制VI就可以實現IN與0UT1的開關；Q2的柵極作為控制信號的輸入端(V2，+5V)，只要控制V2就可以實現頂與0UT2的開關(在電路中IN包括IN1和IN2)。VIV2柵極控制與輸入IN和輸出0UT10UT2的邏輯關系如下表<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>如圖3和圖7所示，對本實用新型所述集成電路的輸出端開關的設計，在原理上是采用一個功放FET和接收場效應管Q7組合構成，同時配以相應的輔助電路。但是，為了減少末級功放的開關插損，在實際設計中，本實用新型利用功率放大電路的第二級功放FET2兼作末級開關電路的功放FET，使得整體電路上減少一個功放管，從而使電路插損和面積都減小一半。在V2為低電平時FET2呈高阻抗狀態(可視為開狀態)，從而使VI+V2加電邏輯滿足以上關系。為減小芯片外圍電路，實現T/R—體化，本實用新型中還設計了自給偏置電路，其原理如圖4所示。自給偏置技術，是通過一個單電源電路給FET加偏置。柵極通過一個電感器或者大阻值電阻直接接地，通過源端插入一個小電阻R(其值等于所需Vg除以希望的漏極電流)，IVgI=Id*R，將源端電壓提高到一個正的直流電位，電壓值等于所需的柵極一源極間電壓。為了防止損失射頻增益，源端通過一個大的去耦電容接地。單電源偏置的優點很明顯，特別是對于電池供電的情況，可減小直流功耗，并減少電源連線。2.功率放大電路MPA如圖5所示，功率放大電路MPA主要由兩個自給偏置電路串聯組成，其中，第一級自給偏置電路通過一個匹配耦合電路與前級開關電路SPDT1的輸出端0UT1相連，第二級自給偏置電路的輸出端則與末級開關電路SPDT2中場效應管Q7的源極S相連，共同作為末級開關電路SPDT2的輸出端。3.低噪聲放大電路LNA如圖6所示，低噪聲放大電路LNA在設計原理上與功率放大電路MPA相同，其中，低噪聲放大電路的輸入端與末級開關電路SPDT2的輸入端IN1相連，而低噪聲放大電路的輸出端與前級開關電路SPDT1的輸出端0UT2相連。本實用新型可應用于各類有源相控陣雷達及LMDS毫米波通信系統等無線通信領域，主要用于功率級，工作頻段為30G-40G頻段。通過控制電源VI和V2，可能靈活控制功率放大電路和低噪聲放大電路的開斷，從而實現雷達工作過程中發射過程和接收狀態的轉換，具有低成本高整合度的特點，尤其在開關速度、增益、插入損耗上具有良好的特性。圖1為本實用新型的原理框圖。圖2為本實用新型中前級開關電路的電路圖。圖3為本實用新型中末級開關電路的電路圖。圖4為本實用新型中自給偏置電路的電路圖。圖5為本實用新型中功率放大電路的電路圖。圖6為本實用新型中低噪聲放大電路的電路圖。圖7為本實用新型的內部等效電路圖。具體實施方式下面通過舉例對本實用新型作進一步說明。如圖7所示，毫米波功率級單片收/發集成電路，其特征在于，所述集成電路包括前級開關電路SPDT1(圖2)、末級開關電路SPDT2(圖3)、功率放大電路MPA(圖5)和低噪聲放大電路LNA(圖6)，前級開關電路SPDT1設置于集成電路的輸入端，且其兩個輸出端0UT1、0UT2分別與功率放大電路MPA輸入端、低噪聲放大電路LNA輸出端相連，而末級開關電路SPDT2設置于集成電路的輸出端，其兩個輸入端IN1、IN2分別與功率放大電路MPA輸出端、低噪聲放大電路LNA輸入端相連，前級開關電路SPDT1與末級開關電路SPDT2、功率放大電路MPA與低噪聲放大電路LNA在電路布圖的位置上成對稱設置。所述前級開關電路SPDT1包括場效應管FET1、場效應管FET2和電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4，其中，場效應管FET1的漏極D和場效應管FET2的源極S相連并作為前級開關電路SPDT1的輸入端；場效應管FET1的柵極G、電阻Rl和電阻R2依次連接后與場效應管FET2的柵極G相連，場效應管FET1的源極S和場效應管FET2的漏極D分別作為前級開關電路SPDT1的兩個輸出端；電阻R3—端與場效應管FET1的柵極G相連，另一端與電源VI相連；電阻R4—端與場效應管FET2的柵極G相連，另一端與電源V2相連。所述末級開關電路SPDT2由場效應管Q7和電阻R5、電阻R6組成，其中，場效應管Q7的源極S作為末級開關電路SPDT2的輸出端Vout，并與功率放大電路MPA的輸出端相連；漏極D作為末級開關電路SPDT2的輸入端頂l與低噪聲放大電路LNA的輸入端相連；電阻R5—端與場效應管Q7的柵極G相連，另一端與電源Vg相連；電阻R6—端與場效應管Q7的柵極G相連，另一端與電源V2相連。所述毫米波功率級單片收/發集成電路還設有自給偏置電路，所述自給偏置電路由場效應管FET、電阻R、電容C1、電容C2、電容C3、電容C4、電感L1和電感L2組成，其中，輸入信號通過電容C1與場效應管FET的柵極G相連，電感Ll一端與場效應管FET的柵極G相連，另一端接地；電阻R和電容C2并聯后一端與場效應管FET的源極S相連，另一端接地；場效應管FET的漏極D分別與匹配耦合器和電感L2相連，匹配耦合器的另一端與電容C4相連，而電容C4的另一端作為輸出端，電感L2的另一端連接電容C3后接地，同時，電容C3的輸入端還與電源VD相連。所述功率放大電路MPA由兩級自給偏置電路和去耦電路組成，其中，第一級自給偏置電路的輸入端通過一個匹配耦合器與前級開關電路SPDT1的輸出端0UT1相連，第一級自給偏置電路的電容C4同時兼作第二級自給偏置電路的電容Cl，而第二級自給偏置電路的電容C4與末級開關電路SPDT2中場效應管Q7的源極S相連，第二級自給偏置電路的負載電阻還與電源VI相連；去耦電路包括電感L5和電容C5、C6，電感L5兩端分別連接第一級自給偏置電路的負載電阻和第二級自給偏置電路的負載電阻，電容C5—端分別與第一級自給偏置電路的負載電阻和前級開關電路SPDT1的電阻R3相連，另一端接地，電容C6—端與第二級自給偏置電路的負載電阻相連，另一端接地。所述低噪聲放大電路LNA由三級自給偏置電路和去耦電路組成，其中，第一級自給偏置電路的輸入端與末級開關電路SPDT2的輸入端IN1相連，第一級自給偏置電路的電容C4同時作為第二級自給偏置電路的電容Cl，第二級自給偏置電路的電容C4同時作為第三級自給偏置電路的電容Cl，而第三級自給偏置電路的電容C4與前級開關電路的輸出端0UT2相連，同時第三級自給偏置電路的負載電阻還與電源V2相連；去耦電路包括電感L6、L7和電容C7、C8、C9，電感L6兩端分別連接第一級自給偏置電路的負載電阻和第二級自給偏置電路的負載電阻，電感L7兩端分別連接第二級自給偏置電路的負載電阻和第三級自給偏置電路的負載電阻，電容C7—端分別與第一級自給偏置電路的負載電阻和末級開關電路SPDT2的電阻R6相連，另一端接地，電容C8—端與第二級自給偏置電路的負載電阻相連，另一端接地，電容C9一端與第三級自給偏置電路的負載電阻相連，另一端接地。所述末級開關電路SPDT2與功率放大電路MPA設有一個共用功放FET2。本實用新型中幵關電路屮FET開關為一個三端器件，其中柵偏置電壓為Vg，由V1控制開關狀態。FET工作為壓控電阻器，其柵偏置控制溝道的漏源電阻。當柵源偏置在數值上大于夾斷電壓Vp(|VgS|>|Vp|)時，產生一個高阻狀態；當零偏置柵壓VI(柵極控制)加載到柵極時，則產生一個低阻狀態。由于FET開關在兩個狀態下都不需要直流功率，故對所有完成應用目的過程，從功率消耗的角度來看，FET開關即可視為無源器件，FET開關可忽略的直流功率要求顯著地簡化了功率電路。在平面結構中，柵極位于源極和漏極終端之間，故FET開關工作為雙向開關。為實現本實用新型收/發功能，SPDT開關電路采用了兩只低插入損耗特性的柵寬為200um的FET場效應管進行對稱設置。經過測試，信號接收時插損為2dB，隔離度10dB;信號發射時插損為ldB,隔離度15dB;開關時間4nS。本實用新型主要應用于相控陣T/R技術中，經過測試，其作為放大功率時，MPAGain10dB,MPAPout23dBm;作為低噪聲放大時，LNAGain20dB，LNANoiseFigure5dB，ReturnLoss16dB。如上所述，便能很好地實施本實用新型。權利要求1.毫米波功率級單片收/發集成電路，其特征在于，所述集成電路包括前級開關電路SPDT1、末級開關電路SPDT2、功率放大電路MPA和低噪聲放大電路LNA，前級開關電路SPDT1設置于集成電路的輸入端，且其兩個輸出端OUT1、OUT2分別與功率放大電路MPA輸入端、低噪聲放大電路LNA輸出端相連，而末級開關電路SPDT2設置于集成電路的輸出端，其兩個輸入端IN1、IN2分別與功率放大電路MPA輸出端、低噪聲放大電路LNA輸入端相連。2.根據權利要求1所述的毫米波功率級單片收/發集成電路，其特征在于，所述前級開關電路SPDT1包括場效應管Q1、場效應管Q4和電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4，其中，場效應管Ql和場效應管Q4完全對稱設置，場效應管Ql的漏極D和場效應管Q4的源極S相連并作為前級開關電路SPDT1的輸入端V1N;場效應管Ql的柵極G、電阻R1和電阻R2依次連接后與場效應管Q4的柵極G相連，場效應管Ql的源極S和場效應管Q4的漏極D分別作為前級開關電路SPDT1的兩個輸出端0UT1和0UT2;電阻R3—端與場效應管Ql的柵極G相連，另一端與電源V1相連；電阻R4—端與場效應管Q4的柵極G相連，另一端與電源V2相連；電阻Rl和電阻R2的連接端還與電源Vg相連。3.根據權利要求1所述的毫米波功率級單片收/發集成電路，其特征在于，所述末級開關電路SPDT2由場效應管Q7和電阻R5、電阻R6組成，其中，場效應管Q7的源極S作為末級開關電路SPDT2的輸出端V。ut，并與功率放大電路MPA的輸出端相連；漏極D作為末級開關電路SPDT2的輸入端IN2與低噪聲放大電路LNA的輸入端相連；電阻R5—端與場效應管Q7的柵極G相連，另一端與電源Vg相連；電阻R6—端與場效應管Q7的柵極G相連，另一端與電源V2相連。4.根據權利要求1所述的毫米波功率級單片收/發集成電路，其特征在于，所述集成電路設有自給偏置電路，由場效應管FET、電阻R、電容C1、電容C2、電容C3、電容C4、電感L1、電感L2和匹配耦合器組成，其中，場效應管FET的柵極G與電容C1相連，電容C1的另一端作為自給偏置電路的輸入端，電感Ll一端與場效應管FET的柵極G相連，另一端接地；電阻R和電容C2并聯后一端與場效應管FET的源極S相連，另一端接地；場效應管FET的漏極D分別與匹配耦合器和電感L2相連，而匹配耦合器的另一端與電容C4相連，電容C4的另一端作為輸出端，電感L2的另一端連接電容C3后接地，同時，電容C3的輸入端還與電源V。相連。5.根據權利要求1所述的毫米波功率級單片收/發集成電路，其特征在于，所述功率放大電路MPA由兩級自給偏置電路和去耦電路組成，其中，第一級自給偏置電路的輸入端通過一個匹配耦合器與前級開關電路SPDT1的輸出端0UT1相連，第一級自給偏置電路的電容C4同時兼作第二級自給偏置電路的電容Cl，而第二級自給偏置電路的電容C4與末級開關電路SPDT2中場效應管Q7的源極S相連，第二級自給偏置電路的負載電阻還與電源VI相連；去耦電路包括電感L5和電容C5、C6，電感L5兩端分別連接第一級自給偏置電路的負載電阻和第二級自給偏置電路的負載電阻，電容C5—端分別與第一級自給偏置電路的負載電阻和前級開關電路SPDT1的電阻R3相連，另一端接地，電容C6—端與第二級自給偏置電路的負載電阻相連，另一端接地。6.根據權利要求1所述的毫米波功率級單片收/發集成電路，其特征在于，所述低噪聲放大電路LNA由三級自給偏置電路和去耦電路組成，其中，第一級自給偏置電路的輸入端與末級開關電路SPDT2的輸入端IN1相連，第一級自給偏置電路的電容C4同時兼作第二級自給偏置電路的電容C1，第二級自給偏置電路的電容C4同時兼作第三級自給偏置電路的電容Cl，而第三級自給偏置電路的電容C4與前級開關電路的輸出端0UT2相連，同時第三級自給偏置電路的負載電阻還與電源V2相連；去耦電路包括電感L6、L7和電容C7、C8、C9，電感L6兩端分別連接第一級自給偏置電路的負載電阻和第二級自給偏置電路的負載電阻，電感L7兩端分別連接第二級自給偏置電路的負載電阻和第三級自給偏置電路的負載電阻，電容C7--端分別與第一級自給偏置電路的負載電阻和末級開關電路SPDT2的電阻R6相連，另一端接地，電容C8—端與第二級自給偏置電路的負載電阻相連，另一端接地，電容C9一端與第三級自給偏置電路的負載電阻相連，另一端接地。7.根據權利要求1所述的毫米波功率級單片收/發集成電路，其特征在于，所述末級開關電路SPDT2與功率放大電路MPA設有一個共用功放FET2。專利摘要本實用新型公開了一種毫米波功率級單片收/發集成電路，涉及毫米波頻段的信號收發集成電路，解決了相控陣雷達信號的收發問題。該集成電路由前級開關電路、末級開關電路、功率放大電路和低噪聲放大電路組成，前級開關電路設置于集成電路的輸入端，且其兩個輸出端分別與功率放大電路輸入端、低噪聲放大電路輸出端相連，而末級開關電路設置于集成電路的輸出端，其兩個輸入端分別與功率放大電路輸出端、低噪聲放大電路輸入端相連，前級開關電路與末級開關電路、功率放大電路與低噪聲放大電路LNA在電路布圖的位置上成對稱設置。本實用新型具有體積小、增益大、信噪比高、插損小、開關速度快的特點，主要用于相控陣T/R技術中。文檔編號H04B1/40GK201290112SQ20082014136公開日2009年8月12日申請日期2008年11月12日優先權日2008年11月12日發明者關亮中,陳亞平申請人:成都雷電微力科技有限公司