一種基于GaAs肖特基二極管W波段混頻器芯片設計

樊帆　傅琦

摘? 要：對基于GaAs肖特基二極管的W波段單平衡混頻器進行了研究，包括肖特基二極管特性等效電路擬合、曲線測試、參數提取、模型建立。基于單平衡混頻器隔離度和雜散抑制的機理，研究了W波段巴倫的設計。基于GaAs pHEMT工藝，結合W波段電路設計方法，研發了一款射頻頻率覆蓋90～98 GHz，中頻頻率覆蓋1～9 GHz，本振頻率覆蓋86～98 GHz，本振功率為11 dBm的無源單平衡混頻器。芯片通過探針臺在片測試，在W波段內有較好的性能，其中變頻損耗小于10 dB，本振射頻隔離度在92～96 GHz內大于35 dB。

關鍵詞：砷化鎵；單平衡混頻器；W波段；變頻損耗

中圖分類號：TN914.42? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）11-0052-05

Design of a Mixer Chip in W-band Based on GaAs Schottky Diode

FAN Fan， FU Qi

（The 13th Research Institute of CETC， Shijiazhuang? 050051， China）

Abstract： This paper researches single balanced mixer in W-band based on the GaAs Schotthy diode， including Schottky diode characteristic equivalent circuit fitting， curve testing， parameter extraction， and model establishment. Based on mechanism of isolation degree of single balanced mixer and discrete inhibition， the W-band balun has been designed. Based on the GaAs pHEMT technology， combined with W-band circuit design method， a passive single balanced mixer has been designed， which RF covers 90～98 GHz， IF covers 1～9 GHz， LO covers 86～98 GHz and LO power is 11 dBm. A good performance has been verified through prober test， which conversion loss is less than 10 dB， LO-RF isolation degree is better than 35 dB in 92～96 GHz.

Keywords： GaAs; single balanced mixer; W-band; conversion loss

0? 引? 言

隨著信道容量，頻譜帶寬，組件小型化等多方面需求的不斷提高，W波段收發組件在星間通信、掃描成像、車載防撞雷達、無人機著陸探測等領域得到廣泛應用[1-3]，但由于器件和工藝的局限，W波段的研究相對緩慢。混頻器作為收發組件中頻率變化的關鍵元器件，其性能指標直接影響了收發組件的架構和組件的頻譜特性。因此W波段混頻器的研發十分關鍵。

由于W波段組件射頻、本振工作頻率與中頻信號頻率相差較遠，且高頻電路本振功率太大會極大影響組件功耗，該頻率混頻器設計大都采用單平衡混頻器架構形式[4-6]，該結構混頻器有著較高的端口間隔離度和雜散抑制度，且本振驅動功率較雙平衡混頻器低3 dB，因此廣泛應用在高頻電路設計中。從襯底材料方面考慮，不同半導體材料的W波段混頻器芯片均有報道。2009年，韓國的Oh等人通過優化二極管結構和工藝實現形式，基于mHEMT工藝研發出覆蓋91～97 GHz的GaAs混頻器[7]。2014年，天津大學的Wu等人研發了基于CMOS二極管的混頻器[8]。2015年，中國電子科技集團公司第十三研究所的趙宇等人，通過基于InP的高電子遷移率工藝，制造了一款3 mm單平衡混頻器芯片[9]。除此之外基于GaN、SiGe的混頻器設計均有報道，但由于其材料的高頻特性受限，大都工作在Ka波段以下[10-12]。

本文采用自主控制的GaAs高電子遷移率工藝。最終設計了一款單平衡混頻器芯片，射頻頻率覆蓋90～98 GHz，中頻頻率覆蓋1～9 GHz，本振頻率覆蓋86～98 GHz。測試結果顯示，在本振功率為11 dBm的情況下，變頻損耗小于10 dB，本振射頻隔離度大于29 dB，在92～96 GHz隔離度大于35 dB，且能夠兼容上變頻和下變頻使用，芯片尺寸為1.1 mm×0.9 mm。

1? 器件模型

無源混頻器的核心為肖特基二極管，肖特基二極管是最常用的混頻非線性器件，二極管采用金屬-半導體接觸，是多子作用的非線性器件，導通、截止過程中幾乎沒有載流子恢復時間，非常適用于混頻器設計。考慮工作頻段為W波段，需要采用截止頻率較高的二極管，因此選擇柵長為0.09 μm的GaAs pHEMT工藝。GaAs工藝較CMOS工藝有更高的電子遷移率，適用與高頻電路設計。該工藝采用電子束寫柵，精度高，二極管截止頻率高，高頻性能好，芯片一致性好。

由于混頻器工作在高頻，二極管陽極、陰極和地之間存在寄生電容，陽極與陰極由于空氣橋跨橋存在寄生電感，二極管中空氣橋分別與陽極和陰極連接產生接觸電阻，對IV、CV特性曲線影響較大，通過模型外插獲得的仿真模型準確性較低。因此本次設計，采用實測IV、CV特性曲線對二極管進行擬合，主要是CV特性曲線的提取。傳統CV曲線提取方法通過去嵌入S參數進行提取，提取方式相對復雜，且矢網測試過程中高頻寄生相對較大。本次設計中采用低頻探頭直接獲取CV參數[13]和高頻矢網測試外圍電路寄生參數的組合模式，將CV特性參數分為兩個部分。首先，由半導體器件分析儀直接輸出一個1 MHz的信號，儀器通過計算不同偏壓下的輸入輸出，直接獲取時變的CV曲線。其次，結合上一步驟中的低頻CV曲線，利用高頻矢網測試已經去嵌入的二極管陽極、陰極焊盤，獲取肖特基二極管準確的外圍電路寄生參數。二極管等效電路模型如圖1所示，通過優化擬合上述參數，獲得準確的二極管CV曲線。

模型測試在芯片探針臺進行，通過PIV、矢量網絡分析儀、擴頻模塊、半導體器件分析儀等儀器進行IV特性曲線和CV特性曲線的測試，在軟件中對測試數據進行公式擬合。最終通過準確的IV和CV擬合公式及外圍寄生電路，建立起準確的可仿真模型，如圖2所示。

通過曲線擬合可以看出，公式擬合曲線與實測曲線一致性良好。CV曲線擬合過程中，在偏壓為0.3 V左右，結電容與實測存在一定差距。若采用復雜度較高的公式進行曲線擬合，可以使曲線擬合度更高，但是需用使用多個公式分段表達，曲線存在奇點，仿真收斂性較差，影響設計仿真進度，因此在擬合度上做出犧牲。由曲線擬合度判定，上述曲線擬合度大于99.97%，能夠準確表征二極管特性，滿足正常仿真需求，因此采用該二極管模型進行仿真設計。考慮實際應用，結合不同柵寬二極管的結電容區別，設計中選用總柵寬為10 μm的肖特基二極管。

2? 電路設計與仿真

巴倫設計是混頻器電路中的重點。巴倫可以抑制混頻器產生的偶次諧波，良好的巴倫平衡度可以提高端口隔離度和雜散抑制度。理想的單平衡混頻器，輸出信號滿足以下公式：

本振信號通過180°巴倫，將信號一分為二，等幅反向地加載在混頻二極管上，保證兩只二極管同時開啟與關斷。因此，對于理想巴倫，當m為偶數時，I （t）為0，即LO信號的偶次分量被抵消，因此單平衡混頻器有較高的本振隔離度，且雜散分量為單端混頻器的二分之一。

對于W波段混頻器，首先需要設計一款W波段的180°巴倫。高頻巴倫由于器件尺寸與工作波長相當，設計中采用多線耦合的寬帶Marchand巴倫，結構示意圖如圖3所示。多線耦合的寬帶Marchand巴倫能提高耦合度，減小巴倫損耗，其寬帶特性和共模阻抗抑制高等特點保證高頻頻帶的設計余量和巴倫幅度相位平衡度。采用三維EM仿真對巴倫進行優化，考慮微帶走線的對地寄生電容較大，將巴倫線寬設計為6 μm，以減小到地寄生，巴倫線間距為5 μm，巴倫線長650 μm，GaAs介電常數12.9。通過優化設計，巴倫平衡性較好，巴倫插入損耗1.8 dB，幅度平衡度小于0.5 dB，相位平衡度小于2°，滿足設計要求。

混頻器設計中在中頻端口增加片上LC低通濾波，既可以濾除高頻帶外雜散，也可以匹配端口阻抗。常見的片上信號傳輸采用50 Ω微帶線結構，對于高頻信號而言，50 Ω微帶線線寬導致到地寄生太大，阻抗向史密斯圓圖下半周偏移，影響端口匹配，因此設計中常采用高阻線或者共面波導結構。在本電路設計中，多采用共面波導形式，該走線方式將電磁場束縛在走線周圍，可以減小線間耦合，提高端口隔離度。高頻電路設計中，串聯電容采取多個電容串聯替代單一電容或者交指電容形式，并聯到地電容均采用扇形結構，這種電容設計方式有效減小工藝波動對電路設計的影響。此外，端口采用間距為100 μm的GSG端口，通過仿真匹配，使其在W波段有較好傳輸特性，回波損耗均小于-20 dB。在設計中，將地孔連接在一起，使芯片產生大面積地，有效減少各端口間、走線之間的信號串擾。仿真采用三維EM仿真對無源電路部分進行設計，帶入前一章節的二極管模型，通過軟件采用諧波仿真進行仿真優化，仿真結果如圖4所示。

由仿真結果可知，混頻器在射頻92～96 GHz、中頻1～9 GHz的使用條件下，變頻損耗優于-10 dB，滿足指標需求。端口隔離度是混頻器芯片的重要指標，較差的端口隔離度會造成組件中頻譜不純凈，與前后級信號形成組合干擾，在發射機中影響探測能力，在接收機中影響靈敏度。對于W波段混頻器，射頻、本振頻率與中頻頻率相距很遠，下變頻使用過程中可以在中頻端口增加低通濾波器將高頻信號濾除，因此本設計中主要考慮頻率間隔相距較近的本振射頻隔離度。由仿真可知，通過信號共面波導走線與合理地設計端口位置，本振射頻隔離度優于24 dB，滿足組件實際使用需求。

3? 測試結果與分析

芯片采用自主可控的GaAs pHEMT高電子遷移率工藝進行流片，芯片照片如圖5所示。

流片完成后，在探針臺進行探針測試。矢量網絡分析儀采用N5247A 67 GHz四端口矢網，四端口矢網連接至擴展單元，擴頻模塊分別連接擴展單元的1端口與3端口，對應待測件的射頻和本振，擴頻模塊將頻率擴展至67～120 GHz。射頻端擴頻模塊輸出與矩形波導相連，最后與GSG間距為100 μm的高頻探針連接。本振端擴頻模塊輸出至驅動放大器模塊，該放大器工作頻率為80～100 GHz，標定的輸出功率典型值13 dBm，放大器模塊輸出端與矩形波導相連，最后與間距為100 μm的高頻探針連接。通過功率計標定本振端針尖輸出功率典型值11 dBm。W波段信號傳輸采用矩形波導，損耗小，測試一致性良好，保證測試過程準確可靠。為方便三端口垂直針GSG校準，中頻端使用間距為100 μm的高頻探針，經測試驗證，低頻頻率響應良好。探針測試系統如圖6所示。

通過標量混頻模式對射頻、中頻端口進行校準，本振端口通過功率計標定功率進行測試。如圖7，由測試曲線可知，單平衡混頻器射頻頻率覆蓋90～98 GHz，中頻頻率覆蓋1～9 GHz，本振頻率覆蓋86～98 GHz，帶內變頻損耗小于10 dB。實測本振射頻隔離度優于29 dB，在組件實際使用的92～96 GHz，隔離度優于35 dB。

由實測結果可知，變頻損耗和中頻響應曲線，仿真實測趨勢擬合較好，實測變頻損耗優于仿真，實測本振射頻隔離度曲線明顯優于仿真。判斷變頻損耗大小誤差主要因有兩方面：首先，二極管模型中，接觸電阻和導通電阻可能存在偏差，實際電路中二極管電阻更小；其次，本振功率采用功率計標定形式，即本振功率輸出功率取決于當前狀態下放大器輸出功率，放大器輸出功率在11 dBm左右，有一定波動，造成變頻損耗曲線有波動。判斷本振射頻隔離度誤差主要由三方面產生：首先，巴倫平衡度和二極管寄生誤差影響隔離度，由于二極管擬合過程中陽極和陰極耦合電容較大，仿真中本振耦合較強，而實測耦合弱于仿真；其次，仿真軟件是基于襯底的三維仿真，空間耦合仿真準確性有待提高，后續工作采用更多仿真軟件驗證器件空間耦合特性；最后，在二極管CV曲線擬合過程中，考慮仿真收斂性，犧牲了部分CV特性的準確性，最終影響仿真隔離度指標。由于芯片走線均采用共面波導結構，將電磁場束縛在微帶線走線周圍，減小空間耦合，最終本振射頻隔離度較設計值優化。綜上，GaAs肖特基二極管的單平衡混頻器性能較好，仿真實測結果基本一致，滿足W波段組件使用需求。

4? 結? 論

基于自主控制的0.09 μm GaAs高電子遷移率工藝，并對肖特基二極管IV、CV特性曲線與外圍等效電路進行測試、擬合，并形成修正模型。基于該修正模型，設計了一款射頻頻率覆蓋90～98 GHz，中頻頻率覆蓋1～9 GHz，本振頻率覆蓋86～98 GHz的單平衡混頻器。該芯片性能良好，在本振功率為11 dBm的情況下，變頻損耗小于10 dB，本振射頻隔離度在92～96 GHz大于35 dB，且能夠滿足上變頻、下變頻使用，芯片尺寸為1.1 mm×0.9 mm。

該芯片已經用于W波段組件中，組件性能良好，雜散抑制滿足實際要求。該芯片的研制成功，不僅驗證了該GaAs工藝在W波段的設計可行性，也豐富了W波段器件仿真、設計、測試經驗，為后續高頻器件的研究奠定基礎。

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作者簡介：樊帆（1988—），男，漢族，河北石家莊人，工程師，碩士研究生，研究方向：電路設計、加工工藝和材料優化。

收稿日期：2023-01-05