5～40GHz CMOS衰减器的设计与实现

基于GF 8HP 0.12 μm BiCMOS工艺设计并实现了一款应用于相控阵系统的具有低幅度均方根(RMS)误差的单片集成5～40 GHz5 bit数控衰减器.该衰减器采用桥T和单刀双掷(SPDT)开关结构,其中的NMOS开关管通过采用体端悬浮技术,改善了衰减器在全部衰减态下插损的平坦度,降低了衰减器的插损,提高了衰减器的线性度.测试结果显示,在5 ～ 40 GHz频段内,该5 bit数控衰减器的插损最小值为5.7 dB,最大值为14.2 dB,幅度均方根误差小于0.39 dB,相移均方根误差小于5.7°,1 dB压缩点输入功率大于+11 dBm,芯片核心面积为0.86 mm×0.39 mm.     

一种新颖的4bit和5bit超宽带GaAs单片数字衰减器

介绍了一种新颖的DC～20GHz的4bit和5bit GaAs单片数字衰减器的设计、制造和测试结果.该衰减器的设计采用纵向思维的方法.最终得到的4bit数字衰减器的主要性能指标是:在DC～20GHz频带内,插入损耗≤3.5dB,最大衰减量15dB,衰减步进1dB,衰减平坦度≤0.2dB,衰减精度≤±0.3dB,两端口所有态的电压驻波比≤1.6,相对于参考态,衰减态的插入相移在-10°～5°以内,芯片尺寸1.8mm×1.6mm×0.1mm.5bit数字衰减器的主要性能指标是:在DC～20GHz频带内,插入损耗≤3.8dB,最大衰减量15.5dB,衰减步进0.5dB,衰减平坦度≤0.3dB,衰减精度≤±0.4dB,两端口所有衰减态的电压驻波比≤1.8,相对于参考态,衰减态的插入相移在-14°～2°以内,芯片尺寸2.0mm×1.6mm×0.1mm.     

10.4~28 GHz的超宽带6位数字衰减器设计

基于中芯国际40 nm CMOS工艺设计并实现了一种超宽带6位数字衰减器,其工作频率为10.4～28 GHz。该衰减器采用内嵌式开关型结构,6位衰减单元的设计采用T型、桥T型和π型三种拓扑结构。该6位衰减器可以实现0.5 dB的衰减步进,31.5 dB的动态衰减范围。采用大衰减量幅度补偿电路和高匹配特性的衰减位级联结构,衰减器在10.4～28 GHz的频段范围内具有平坦的64态衰减量,衰减器的整体前仿真插入损耗为1.73～2.08 dB,后仿真插入损耗为4.32～6.31 dB,64态的输入输出回波损耗均小于-10 dB。     

一种基于π型氮化钽薄膜电阻的MEMS衰减器

针对传统衰减器体积大、反应时间长、可靠性差等问题,提出了一种基于氮化钽薄膜电阻的MEMS衰减器。根据π型衰减网路理论计算得到各个电阻的阻值,并计算各个电阻的仿真尺寸。利用HFSS 15.0电磁波仿真软件对衰减器结构进行仿真计算并优化。通过修改磁控溅射参数制备稳定的氮化钽薄膜电阻,在此基础上制作MEMS衰减器。采用矢量网络分析仪和探针台进行衰减器射频性能测试。测试结果表明,在0.1~20 GHz频率范围内,衰减器的回波损耗大于12.4 dB,插入损耗小于2.1 dB,衰减精度小于5 dB。衰减器整体尺寸为2.2 mm×1.2 mm×1 mm。     

GaAs单片集成宽带衰减器

介绍GaAs单片集成衰减器的研究与制作。所研制的衰减器在DC—10GHz的频率范围内，插入损耗小于1．5dB，衰减量大于15dB，驻波小于2．0：1；其中在DC—6GHz的频率范围内，衰减量大于25dB．驻波小于1．5：1，衰减波纹小于0．5dB。     

MMIC芯片衰减器的设计与检测

本文提供了一种单片微波集成电路(MMIC)芯片衰减器,采用氮化钽薄膜作为电阻材料,利用嵌套掩膜刻蚀技术将芯片衰减器结构一层一层套刻在陶瓷基片上。主要研究了利用氮化钽薄膜电阻制作芯片衰减器的优点,结合HFSS仿真软件,建立3 dB和10 dB芯片衰减器的有限元模型,并对实物产品进行测试验证。试验结果表明:3 dB芯片衰减器在DC～20 GHz工作频率内有较好的衰减响应,回波损耗在整个宽频带内都小于-20 dB,衰减量偏差在DC～12 GHz工作频率内小于±0.3 dB。10 dB芯片衰减器在DC～20 GHz工作频率内也有较好的衰减响应,回波损耗在整个宽频带内都小于-19 dB,衰减量偏差在DC～12 GHz工作频率内小于±0.35 dB。     

GaN MMIC六位数字衰减器的设计

基于GaN HEMT工艺成功研制出一款宽带六位数字衰减器,衰减范围为0～31.5 dB.通过研究GaN HEMT开关器件模型及电阻式衰减网络,选取合适的衰减器拓扑,减小了衰减器的插入损耗,提高了衰减精度,缩小了芯片尺寸.测试结果表明,在2～ 18 GHz频带内,该衰减器的插入损耗小于4.8 dB,64态衰减精度均方根误差小于0.6 dB,输入回波损耗小于-13 dB,输出回波损耗小于-12.5 dB,附加相移为-14°～4°.在10 GHz下,其1 dB压缩点输入功率达到34.5 dBm.裸片尺寸为2.30 mm× 1.10 mm.     

基于MEMS开关的射频衰减器的设计制作

提出了一种基于微机电系统(MEMS)开关的射频衰减器的设计方案。首先在DC~20 GHz内,以10 dB衰减量为目标,对整体电路结构进行设计,选择以共面波导(CPW)为传输线,接触式MEMS开关作为控制器件,同时以开关中的电容作为断路时的平衡器件进行电路匹配;然后按所需衰减量计算T型网络中各个电阻大小;按照计算值,在CST微波工作室中建模仿真得到工艺加工需要的尺寸;最后结合UV-LIGA工艺对衰减器进行了样片试制并对其性能进行了测试。测试结果显示,在DC~20 GHz内,目标衰减量为10 dB时,最大偏差可以控制在2 dB之内。结果表明,以MEMS开关为基础的衰减器,可以在宽频带内实现更加稳定的衰减。     

一种新颖的4bit和5bit超宽带GaAs单片数字衰减器

介绍了一种新颖的DC～20GHz的4bit和5bit GaAs单片数字衰减器的设计、制造和测试结果．该衰减器的设计采用纵向思维的方法．最终得到的4bit数字衰减器的主要性能指标是：在DC～20GHz频带内,插入损耗≤3.5dB,最大衰减量15dB,衰减步进1dB,衰减平坦度≤0.2dB,衰减精度≤±0.3dB,两端口所有态的电压驻波比≤1.6,相对于参考态,衰减态的插入相移在－10°～5°以内,芯片尺寸1.8mm×1.6mm×0.1mm．5bit数字衰减器的主要性能指标是：在DC～20GHz频带内,插入损耗≤3.8dB,最大衰减量15.5dB,衰减步进0.5dB,衰减平坦度≤0.3dB,衰减精度≤±0.4dB,两端口所有衰减态的电压驻波比≤1.8,相对于参考态,衰减态的插入相移在－14°～2°以内,芯片尺寸2.0mm×1.6mm×0.1mm．     

基于硅基MEMS工艺的Ka波段四通道短砖式三维集成T/R微系统

基于硅基微电子机械系统(MEMS)工艺设计了一种Ka波段四通道短砖式三维集成T/R微系统，实现四通道收发及功率合成功能。器件每个通道具备6 bit数控移相、5 bit数控衰减、电源调制等功能。该T/R微系统由两层硅基MEMS模块堆叠而成，每层硅基模块内部异构集成多个单片微波集成电路(MMIC),内部采用硅通孔(TSV)实现垂直互连，层间采用植球互连，器件尺寸为18 mm×19.5 mm×3 mm。经测试，在33～37 GHz频段内，器件单通道饱和发射功率大于30 dBm,接收增益约为35 dB,噪声系数小于4.6 dB。器件兼顾高性能和高集成度，可应用于雷达相控阵系统。     

一种基于MEMS技术的可变光衰减器

介绍了一种基于微电子机械系统(MEMS)技术实现的可变光衰减器,通过微电磁驱动器改变输入输出光纤之间的径向偏移量来调整衰减量.分析了偏移量与衰减量的关系,通过MEMS微细加工技术实现了器件的制作和封装,介绍了加工及装配流程.并进行了性能测试,结果表明,新型可变光衰减器的插入损耗小于1 dB,动态范围约35 dB,工作电压小于5 V,偏振相关损耗小于0.1 dB,有望为光纤网络提供一种低成本、高性能的光通信器件.     

一种集成环行器的X波段三维异构集成T/R模组

微电子机械系统(MEMS)环行器被广泛应用于射频(RF)T/R微系统中，解决共用天线且收发隔离的问题。基于硅基三维(3D)异构集成工艺，设计了一种集成MEMS环行器的X波段T/R模组。该模组以高阻硅为介质基板，在硅基板上、下表面电镀金属图形，并堆叠多层硅基晶圆，在硅基模组上封装了集成无源器件(IPD)环行器，完成了多种微波芯片和MEMS环行器的系统级封装(SiP),将环行器紧凑集成在硅基T/R模组中。模组尺寸为12.0 mm×11.3 mm×2.0 mm。测试结果表明，在8～12 GHz频带内，模组接收通道增益为27 dB,接收通道噪声系数小于3.2 dB;发射通道增益为33 dB,饱和输出功率大于2 W。     

一种宽带低功耗电压可变衰减器的研究

采用微波薄膜混合集成电路工艺设计并实现了一种砷化镓场效应管电压可变衰减器,在DC～20 GHz带宽内插入损耗小于3 dB,最大衰减量22 dB,输入输出端口驻波比小于2.0,衰减动态范围在10 dB以内时衰减平坦度小于1 dB.该衰减器采用单电压源控制衰减量变化,控制电压在-2～0 V内变化时,控制端口电流的实测值低于5μA,具有显著的低功耗优点.     

一种基于MEMS体硅工艺的三维集成T/R模块

采用微电子机械系统(MEMS)体硅三维异构集成技术,设计了一种应用于雷达的四通道瓦片式三维集成T/R模块.该模块由三层硅基封装堆叠而成,每层硅基封装内部腔体异构集成多个单片微波集成电路(M MIC),内部采用硅通孔(TSV)实现互连,层间通过焊球互连.模块最终尺寸为8 mm×8 mm×3.5 mm.装配完成后对该模块进行测试,测试结果表明,在34～36 GHz内,模块的饱和发射功率为21 dBm,单通道发射增益达到21 dB,接收增益为23 dB,接收噪声系数小于3.5 dB,同时具备6 bit数控移相和5 bit数控衰减等功能.该模块在4个通道高密度集成的基础上实现了较高的性能.     

基于GaAs pHEMT的1.0～2.4 GHz放大衰减多功能芯片

基于0.25 μm GaAs赝高电子迁移晶体管(pHEMT)工艺,研制了一种1.0～2.4 GHz的放大衰减多功能芯片,该芯片具有低噪声、高线性度和增益可数控调节等特点。电路由第一级低噪声放大器、4位数控衰减器、第二级低噪声放大器依次级联构成,同时在片上集成了TTL驱动电路。为获得较大的增益和良好的线性度,两级低噪声放大器均采用共源共栅结构(Cascode)。测试结果表明,在1.0～2.4 GHz频带范围内,该芯片基态小信号增益约为36 dB,噪声系数小于1.8 dB,输出1 dB压缩点功率大于16 dBm,增益调节范围为15 dB,调节步进1 dB,衰减RMS误差小于0.3 dB,输入输出电压驻波比小于1.5。其中放大器采用单电源+5 V供电,静态电流小于110 mA,TTL驱动电路采用-5 V供电,静态功耗小于3 mA。整个芯片的尺寸为3.5 mm×1.5 mm×0.1 mm。     

一种正电控制低温漂单片数控衰减器

数控衰减器在宽频带内具有高的衰减精度、优良的电压驻波比和大的衰减动态范围,因而得到了推广和应用。正电控制、低温漂6 bit数控衰减器,各衰减位均采用具有低温漂特性的桥T型结构,并通过对衰减结构的合理构建,在不采用电平转换驱动器的情况下,成功实现正电控制,面积得到进一步缩小。对电路进行了仿真与优化,采用GaAs工艺技术完成了流片,测试结果表明,在2.4~8 GHz频带内,参考态插入损耗小于4.0 dB;衰减精度小于±1 dB@31.5 dB;回波损耗小于-15 dB;衰减量在高温或低温时较常温时的偏差控制在0.3 dB以内;各衰减位为0.5,1,2,4,8和16 dB,最大衰减量为31.5 dB。单片数控衰减器芯片最终尺寸为2.9 mm×1.3 mm,控制电压为0 V和5 V。     

C波段宽带薄膜体声波滤波器设计及验证

介绍了一种适用于三维堆叠的凸点式晶圆级封装的小型化C波段宽带薄膜体声波滤波器的设计方法,并进行了工艺验证。通过对压电层薄膜进行钪掺杂、材料参数提取、结构模型优化实现了相对带宽大于5%的薄膜体声波滤波器设计。通过表面硅基微机电系统(MEMS)工艺制备与凸点式晶圆级封装实现滤波器制备。研制出标称频率5 800 MHz、插入损耗小于2.8 dB、阻带抑制大于40 dBc、体积仅1.0 mm×1.0 mm×0.35 mm的C波段宽带薄膜体声波滤波器。     

基于GaAs PHEMT工艺的Ka波段三通道开关滤波器

基于0.15μm GaAs赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)工艺设计了一款22～42 GHz的宽带三通道开关滤波器芯片。该开关滤波器由单刀三掷开关、带通滤波器、控制电路构成。开关采用场效应晶体管(FET)串并结合结构实现。带通滤波器采用梳状结构，一端加载金属-绝缘体-金属(MIM)电容实现。芯片集成了2∶4线译码器作为控制电路，实现通道的选择和切换。芯片尺寸为3.0 mm×2.4 mm×0.1 mm。测试结果表明，三个通道的插入损耗均小于8.5 dB,带内回波损耗均小于-10 dB,带外衰减均大于40 dB。该开关滤波器芯片具有插入损耗小、隔离度高、集成度高、阻带宽的特点。     

高隔离度宽频段组合式RF-MEMS开关的设计

接触式与电容耦合式两类RF MEMS开关各自在一定的频段内,都具有较高的隔离度,但仍然很难满足微波控制系统中对高隔离度的要求.为了获得全波段高隔离度RF MEMS开关,单元开关很难达到要求,在此目标要求下,提出了组合式RF MEMS开关的设计,分别利用HFSS软件对各单元进行结构参数优化,再将两者集成在一起,得到的组合式RF MEMS开关,这种组合式开关在0～20 GHz时隔离度都高于-60 dB,在(≤5 GHz),隔离度高于-70 dB,这是一般单元开关及其他半导体固态开关所无法企及的,而且,在DC～20 GHz范围内,开关的插入损耗小于-0.20 dB,而且并没因隔离度的提高,牺牲了插入损耗.     

24~30 GHz高精度低附加相移数控衰减器

基于0.18 μm CMOS工艺,设计并实现了一种5位高精度低附加相移数控衰减器。该衰减器的衰减动态范围为15.5 dB,步进为0.5 dB。采用了T型衰减结构和SPDT型衰减结构的衰减网络。采用了悬浮栅和悬浮衬底,提高了衰减精度,减小了插入损耗。采用了相位补偿网络,有效降低了衰减器的附加相移。测试结果表明,在24~30 GHz频带范围内,衰减步进为0.5 dB,插入损耗小于8 dB,衰减误差均方根(RMS)小于0.45 dB,附加相移小于±5°。芯片尺寸为1.2 mm×0.3 mm。