基于异质结势垒变容管的毫米波宽带单片三倍频器

摘要

一种基于异质结势垒变容管的毫米波宽带单片三倍频器，包含输入滤波单元、输入隔直电容、周期加载的五节共面波导传输线单元、与周期加载共面波导传输线单元级联的四个异质结势垒变容二极管、输出隔直电容。每节共面波导传输线单元由并联矩形折线电感、以并联矩形折线电感为中心对称加载的两段串联共面波导传输线构成，矩形折线电感由一段传输线与缺陷地折线电感级联构成。本发明采用单片微波集成电路与共面波导技术，引入异质结势垒变容管特有的对称电容‑电压特性，利用平衡结构左手传输线的超宽带色散特性，采用自偏置电路结构，达到了三次谐波转化效率高、三次谐波输出带宽大、无空闲电路、偶次谐波抑制特性好的技术效果。

说明书

技术领域

本发明属于微电子中毫米波电路技术领域，具体涉及一种基于异质结势垒变容管的一维阵列毫米波三倍频电路。

背景技术

近年，THz波的瞬态性、宽带性、相干性、低能性等独特性能，在THz无线通信、成像和安全检测等领域获得了广泛关注。高输出功率THz源的获取是整个THz应用中的关键核心模块和技术难题。基于固态电子学的THz源在低频端通常利用耿氏二极管、IMPATT等非线性器件直接产生，在THz源高频端，由于材料和器件结构的限制，基于耿氏二极管的振荡输出频率上线为100GHz(GaAs)到300GHz(InP)，因此常通过倍频链将低频信号源倍频到THz波段。

异质结势垒变容管是倍频链中的理想非线性二极管，具有对称的电容-电压特性和反对称的电流-电压特性，是奇次谐波发生器的首选元件。在不改变器件制备工艺流程下，其功率承载能力可以通过外延异质结势垒数裁剪工程灵活设计，制备工艺简单可靠。以异质结势垒变容为非线性元件的三倍频电路可以有效抑制偶次谐波，其电路结构简单，无需额外的空闲电路，通过简单的输入输出最优阻抗匹配电路即可产生高输出功率的纯净三次谐波信号，常用于毫米波/亚毫米信号的产生。

左手传输线是一种人工合成左手电磁媒质，由串联电容和并联电感级联构成，具有负介电常数、负磁导率和负折射率，电磁波在其中传播时，波矢方向和能流方向相反，表现出奇异的色散特性。将奇异色散特性的左手传输线和对称电容-电压特性的异质结势垒变容复合，构成人工左手非线性传输线，可产生高输出功率的超宽带三次谐波信号。左手非线性传输线具有自匹配特性和高通特性，无需额外的匹配和滤波器单元抑制谐波信号，可以选择性传播变容管畸变产生的谐波信号，对谐波信号的抑制能力取决于左手非线性传输线自身结构参数，在谐波产生方面具有广阔的应用前景。

通常情况下，以异质结势垒变容管为核心的三倍频电路，输入输出最优阻抗电路采用微带传输线结构(例如短路结构的微带线)，微带阻抗匹配电路的有效带宽窄。该结构电路存在以下固有缺陷:需采用复杂的过孔和背金工艺，三次谐波输出带宽较低。

发明内容

本发明的目的是采用单片微波集成电路技术，结合平衡左手传输线的超宽带频率响应和结构参数自匹配特性，利用对称电容-电压异质结势垒变容的奇次谐波特性，采用单片微波集成电路工艺技术，提出一种电路结构简单、制备工艺简单、偶次谐波抑制特性好、输出功率大、转换效率高、有效谐波输出带宽大的基于异质结势垒变容管的毫米波宽带单片三倍频器。

本发明的技术方案如下:

一种基于异质结势垒变容管的毫米波宽带单片三倍频器，它包含一次连接的输入滤波单元、输入隔直电容、周期加载的五节共面波导传输线单元、与周期加载共面波导传输线单元级联的4个异质结势垒变容二极管、输出隔直电容。

所述输入滤波单元由用于在输入端口反射产生三次谐波信号，其具体可由三次谐波对应的四分之一波长开路线和两段对称加载的串联共面波导传输线级联构成。所述共面波导传输线单元由并联矩形折线电感、以并联矩形折线电感为中心对称加载的2段串联共面波导传输线构成；所述并联折线电感由传输线与缺陷地折线电感级联构成。

所述异质结势垒变容管由2个3势垒In_0.53Ga_0.47As/In_0.52Al_0.48As/AlAs台面串联构成。具体地，两台面间的间距为3μm，零偏置电压下的电容为12fF，异质结势垒变容电极两端存储电荷随外加偏置电压的对称关系为:

其电流随外加偏置电压的反对称关系为:I(V)＝0.2*10^-6*sinh(0.00057*V+0.000068*V³)。

所述共面波导传输线单元和对称加载在共面波导传输线单元两端的电容构成复合左右手传输线单元，电容是异质结势垒变容和隔直电容，且隔直电容大小是异质结势垒电容零偏电容的2倍，24fF。

所述输入和输出隔直电容采用顶层金属-绝缘介质-底层金属结构，利用微波集成电路工艺制备。

本基于异质结势垒变容管的毫米波宽带单片三倍频器的关键技术难点在于异质结势垒数和异质结势垒变容管寄生电阻之间的平衡关系，异质结势垒数越多，其对应最大电容比值越大，承载功率越大，谐波转换效率越大，但其寄生串联电阻越大；串联电阻是决定谐波转换效率的主要因素，串联电阻越大谐波转换效率越低，反之越高，因此，应选择合适的异质结势垒数，在其寄生电阻和承载功率、最大电容比特性参数上折中；在平衡左手传输线结构的实现上，精确设计共面波导传输线单元和在其两端加载的异质结势垒变容管所构成的复合左右手传输线单元，根据共面波导传输线的分布参数对应的串联谐振等于并联谐振，同时确保该条件下复合左右手传输线单元的Bragg阻抗实部阻抗在高频端保持在50欧。本发明的有益效果:

1.采用共面波导传输线结构组态，避免了复杂的过孔和背金制备工艺；

2.采用平衡结构的左手传输线，利用其超宽带的频率响应通带特性实现宽带宽的三次谐波输出通道；在输入端口增加三次谐波虚地，增强三次谐波在输入通道的反射截止，提高三次谐波输出功率；

3.采用对称电容-电压特性，利用其奇次谐波特性产生三次谐波信号；采用最大电容比为4的异质结势垒变容管，有效增强三次谐波输出功率。

4.采用2个3异质结势垒In_0.53Ga_0.47As/In_0.52Al_0.48As/AlAs台面串联结构，增强电路输入承载功率，有效提高三次谐波输出功率。

附图说明

图1是本发明提出的基于异质结势垒变容管的毫米波宽带单片三倍频器的结构图；

图2是本发明实例中输入滤波单元的结构图；

图3和图3a是本发明实例中共面波导传输线单元的结构图和并联折线电感的结构图；

图4a和图4b是本发明实例中异质结势垒变容管结构的平面忽视图和垂直界面图；

图5a是本发明实例中异质结势垒变容管的C-V特性曲线图；

图5b是本发明实例中异质结势垒变容管的I-V特性曲线图；

图6a和图6b是本发明实例中输入输出隔直电容的版图尺寸的俯视图和截面图；

图7a是本发明实例提供的基于异质结势垒变容管的毫米波宽带单片三倍频器的色散特性曲线图；

图7b是本发明实例提供的基于异质结势垒变容管的毫米波宽带单片三倍频器的S21参数曲线图；

图8a是本发明实例提供的基于异质结势垒变容管的毫米波宽带单片三倍频器的不同输入功率下的三次谐波输出特性曲线图；

图8b是本发明实例提供的基于异质结势垒变容管的毫米波宽带单片三倍频器的不同输入功率下其它谐波输出特性曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术进行详细描述

如图1所示，本实施例提供基于异质结势垒变容管的毫米波宽带单片三倍频器的结构示意图，该三倍频器包含一次连接的输入滤波单元1、输入隔直电容2、周期加载的五节共面波导传输线单元3、与周期加载共面波导传输线单元级联的4个异质结势垒变容二极管4、输出隔直电容2，它们均制作在80μm的磷化铟衬底和300nm的绝缘介质上。

如图2所示，输入滤波单元1由三次谐波对应的四分之一波长开路线1-1和两段对称加载的串联共面波导传输线1-2级联构成，用于在输入端口反射产生的三次谐波信号，以增强输出三次谐波输出功率。

所述三次谐波对应的四分之一波长开路线1-1结构尺寸如下，中心导体微带线宽的宽度为40μm，长度为107.5μm，中心导体与两侧导体地的缝隙宽度为25μm。所述共面波导传输线1-2长度为95μm，中心导体微带宽度为20μm，中心导体与两侧导体地的缝隙宽度为50μm。

如图3所示，共面波导传输线单元3由并联矩形折线电感3-1、以并联矩形折线电感为中心对称加载的2段串联共面波导传输线3-2构成。

如图3a所示，并联折线电感3-1由传输线3-1-1与缺陷地折线电感3-1-2级联构成。所述传输线3-1-1结构尺寸如下：宽度为10μm，长度为50μm。所述缺陷地折线电感3-1-2从下至上分为三段，长度分别为15μm、30μm和15μm，宽度为10μm；缺陷地折线电感周围的缝隙宽度为5μm。

所述共面波导传输线3-2结构尺寸如下：长度为80μm，中心导体微带宽度为20μm，中心导体与两侧导体地的缝隙宽度为50μm。

如图4a和图4b所示，本实施例提供的基于异质结势垒变容管的毫米波宽带单片三倍频器中异质结势垒变容二极管是由2个3势垒In_0.53Ga_0.47As/In_0.52Al_0.48As/AlAs台面串联构成，两台面间的间距为3μm，零偏置电压下的电容为12fF，异质结势垒变容电极两端存储电荷随外加偏置电压的对称关系为:

其中势垒厚度b＝13nm，器件有源区面积A＝30μ²，不掺杂空间层s＝5nm，势垒材料相对介电常数ε_b＝12.7，调制层材料相对介电常数ε_d＝13.9，调制层掺杂浓度N_d＝1.0e²³，欧姆接触层n⁺掺杂浓度N_d＝1.0e²⁵，存储在器件两端的电荷Q，器件工作问题T，单位电荷所带电量q，玻尔兹曼常数k，异质结势垒变容二极管两端电流随外加偏置电压的反对称关系为:I(V)＝0.2*10^-6*sinh(0.00057*V+0.000068*V³)。

以上所有附图中的虚线框均不是结构线，而是为了清楚示意以上各个结构单元，如输入滤波单元1、共面波导传输线1-2，将它们用虚框区分出来，以便清楚理解。

图5给出了本实施例基于异质结势垒变容管的毫米波宽带单片三倍频器中异质结势垒变容I-V和C-V特性曲线图，从图中可以看出在异质结势垒变容管具有对称的C-V特性和反对称的I-V特性，在-15-0V偏置电压内最大电容比达到4，0V偏电容仅有12fF，15V偏置电压下的电流只有40nA，消耗直流功率小，是毫米波/亚毫米波频段谐波发生器的理想核心元器件。

如图6a和图6b所示，本实施例提供的基于异质结势垒变容管的毫米波宽带单片三倍频器中输入、输出隔直电容采用顶层金属-绝缘介质-底层金属结构，利用微波集成电路工艺制备，电容值为异质结势垒变容管零偏置电容值的2倍，即24fF。所述隔直电容的版图具体结构尺寸如下：电容下底面矩形金属图形为50μm×30μm，电容上底面隔离电容电极1的矩形金属图形为20μm×26μm，电容上底面隔离电容电极2的矩形金属图形为30μm×26μm，连接下底面金属和上底面电极连接图形的刻蚀尺寸为6μm×22μm，上底面和下底面金属间的绝缘介质为Si₃N₄，绝缘介质厚度为300nm。

以上的共面波导传输线单元3和对称加载在共面波导传输线单元3两端的异质结势垒变容管4和输入、输出隔直电容构成复合左右手传输线单元。

如图7a和7b所示，图7a为复合左右手传输线单元对应的色散特性曲线图。该复合左右手传输线是平衡结构，具有25-360GHz超宽带频率通带相应特性，为基于异质结势垒变容管的毫米波宽带单片三倍频器提供了很宽的三次谐波通道。图7b为加载和不加载输入滤波单元1两种情况下5节复合左右手传输线对应的频率响应特性图，不加载输入滤波单元的频率响应曲线如图7b中实线所示，相应加载输入滤波单元1结构的频率响应曲线如图7b中虚线所示。由图可见，图7a展示的色散特性与图7b实线展示的频率响应是一致的。

通过图8a提供的基于异质结势垒变容管的毫米波宽带单片三倍频器的三次谐波输出功率特性曲线图，以及图8b提供的基于异质结势垒变容管的毫米波宽带单片三倍频器的偶次谐波、基波和五次谐波输出功率特性曲线图，输入功率20-30dBm、2dBm的间距，输入信号频率50-150GHz，可见，本发明中基于异质结势垒变容管的毫米波宽带单片三倍频器对偶次谐波具有很好的抑制性，基波信号在200-350GHz频率基本已经衰减，五次谐波输出功率很小，可以忽略，因此在200-350GHz频段可以得到较为纯净的三次谐波信号。本发明实施提供的三倍频器的最大三次谐波(267GHz)输出功率可达15.9dBm，相应转换效率达到8％，在28dBm输入功率下，其三次谐波输出功率在215-345GHz频段内大于0dBm，三次输出谐波的3dB带宽高达23.6％，具有很好的三次谐波转换特性。

以上所述仅为本发明的优先实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种改变和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。