基于GaAs MMIC工艺的单片均衡器设计

2015-12-27沈一鸣张君直

电子与封装 2015年7期

关键词：均衡器驻波幅度

沈一鸣，张君直

（南京电子器件研究所，南京 210016）

基于GaAs MMIC工艺的单片均衡器设计

沈一鸣，张君直

（南京电子器件研究所，南京 210016）

幅度均衡器被广泛应用于各类微波组件，是其重要的组成部分。对定阻型的幅度均衡器设计进行分析，利用GaAs MMIC标准工艺制作了一款22～32 GHz单片幅度均衡器，该芯片尺寸为0.8 mm×0.7 mm×0.1 mm。经装架测试，在工作频段实现5 dB的负斜率幅度均衡量，驻波良好，插损2.53 dB@32 GHz，基本实现了设计目标。

GaAs MMIC；定阻型；幅度均衡器

1 引言

随着电子对抗技术的不断发展，现代微波通信系统对于收发信机的带内平坦度要求越来越高；且收发信机朝着更轻、更小、可靠性更高的方向发展。由于微带的色散效应及有源器件的固有特性，在射频及微波器件的工作频段内不可避免地存在增益波动，带内平坦度指标一直是系统设计的一个瓶颈所在[4]。

幅度均衡器是一种通过在频段内各个频段的不同幅响，改善带内平坦度指标的器件。传统的微波频段幅度均衡器通过分立的电阻、电容、电感（或微带）组成均衡网络，其缺点是体积大、一致性差、不适合大规模生产。利用GaAs MMIC（单片微波集成电路）技术制作的单片幅度均衡器利用标准的GaAs MMIC制造工艺，将分立器件和微带小型化和高密度化。MMIC还具有非常好的一致性，特别适合微波收发组件使用，加上GaAs材料具有天然的抗辐射特性[3]，使得这类器件在军事领域具有广泛的应用前景。

2 电路结构及原理

由于微带的色散效应存在，其幅度响应与频率呈正斜率关系。场效应管的幅度响应也随频率增高而降低，所以大部分收发系统在没有进行幅度均衡前的频率响应是正斜率的。为了使带内幅度趋于一致，幅度均衡器必须与频率呈负斜率关系才能满足要求。

本文设计的幅度均衡器从K波段至Ka波段，具体设计目标为：频率22～32 GHz，均衡幅度为4.5 dB负斜率，带内驻波<1.5:1，插损<3 dB@32 GHz。对于该频段而言，MMIC的绕线电感有较大的寄生参数，品质因素也降到很低，所以在拓扑中用微带代替。在该频段，元器件之间的耦合效应增强，在版图布局时也应考虑到这一因素。幅度均衡器一般分为定阻型和非定阻型两种结构[1]，如图1所示。

图1 均衡器电路模型

非定阻型幅度均衡器结构简单、元器件较少、由版图产生的寄生参量少，缺点是驻波较差，需要搭配衰减器来使用。定阻型的幅度均衡器结构相对复杂，元器件较多，布版时应进行电磁场仿真来进行版图调整，以减小元器件间的相互干扰，但其优点是带内驻波较好。由于MMIC制造工艺具有精度高、批量大的特点，兼顾设计指标中驻波的设计要求，在实际中选用定阻型的电路结构来进行电路设计。

3 电路设计及仿真

在频率较高的幅度均衡器设计中，电感采用微带线代替，电容和电阻就成了设计中比较关键的元器件，设计时应对其模型进行研究。

MMIC上的电容是MIM电容，通过两层金属加中间介质形成的，设计使用的MMIC工艺，其制作的电容每平方毫米的电容量约250 pF，其等效模型如图2所示。

图2 MIM电容的等效模型

其中C1是主电容， Rcs、Lcs是由上电极长度、宽度引起的寄生电阻、寄生电感，Cc1、Cc2为两层金属与背面金属之间产生的寄生电容，根据文献[2]，并对以往该流片工艺实测结果进行修正，令C1在32 GHz等于工艺库中标准电容的容值，可有以下拟合结果：

其中，A为电容面积（单位为mm2），l为正方形电容边长，Cc1、Cc2的不同是由电容结构决定的，其中有空气桥的一端会产生较大的寄生参数。C1的单位是pF，Cc1、Cc2的单位是fF，Lcs的单位是nH。

MMIC上的电阻是薄膜电阻，即TaN电阻，所用工艺的电阻方阻有12.5 Ω和25 Ω两种，实际中采用的是后者，其等效模型如图3所示。

其中R1是主电阻，Lrs是由电阻金属的长度、宽度引起的寄生电感，Cr1、Cr2是由电阻金属与背面金属之间产生的寄生电容。根据文献[2]，并对以往该流片工艺实测结果进行修正，并令R1在32 GHz等于工艺库中标准电阻的阻值，可有以下拟合结果：

图3 薄膜电阻的等效模型

其中N是电阻的方块数，Lrs的单位是nH，Cc1、Cc2的单位是fF。

将电容和电阻的等效模型带入原理图进行仿真，最终的电路拓扑如图4。对各元器件的值进行修改，直至达到设计所要求的数据，再根据原理图电路仿真的数据形成版图。然后对版图进行三维电磁场仿真，参照结果对电路参数再进行修正，使得前仿和后仿的结果尽可能接近。电路布局时，使左右电路尽可能对称，这样输入输出的驻波基本相当。最后，将后仿的结果加上标识、划片槽等进行流片。

4 测试结果

仿真后的均衡器版图在NEDI 0.35 μm GaAs MMIC工艺线上采用标准工艺进行了流片，芯片尺寸为0.8 mm×0.7 mm×0.1 mm。之后进行了装架测试，将芯片高温烧结于无氧铜载体上，再将载体烧结在测试架上，盒体的其他电路采用Ro5880软基板制作的50 Ω微带线，与芯片用金丝相连，再将绝缘子焊接在5880上，外接2.92-K型头进行测试，测试架见图5。测试结果见图6。

图4 幅度均衡器仿真原理图

图5 芯片测试架

图6 幅度均衡器测试结果与仿真结果

实际测试的均衡幅度约5 dB，驻波比<1.6:1，插损2.53 dB@32 GHz，基本满足使用要求。与仿真结果对比看，幅度响应的趋势基本一致，但插损略大，分析原因是与芯片制作工艺中的过腐蚀有关，即实际制作的芯片金属层以及电阻的金属层比仿真时要细，由式（1）～（6）可知，会造成电阻实际值偏大、电容值偏小、微带线的寄生电阻偏大，由于拟合模型的时候是以32 GHz为准，所以在32 GHz附近的插损与仿真较接近，而远离的部分则差距更大。此外由驻波图可以看出，频带略向低端偏移，这是仿真软件对K-Ka频段微带趋肤效应的拟合不准造成的。大部分无源电路的测试结果都是频带略偏低（不仅在GaAs MMIC上成立，在软基板电路、陶瓷片电路中也是如此），符合预期。测试的驻波值远大于仿真值可能是由于采用的装架测试，GaAs MMIC与5880的50 Ω微带线由于尺寸相差达到约10倍产生的磁场突变效应、金丝的电感影响等造成的。

5 结论

GaAs MMIC具有体积小、可靠性高、一致性好等特点，是现代主流的系统小型化设计手段。随着其制造工艺的成熟与价格下降，越来越多的无源电路也可以并值得采用这种手段来实现。本文利用该技术，实现了一款定阻型单片幅度均衡器，该均衡器工作在22～32 GHz，可以实现5 dB负斜率的均衡度，驻波比<1.6:1，插损2.53 dB@32 GHz，芯片尺寸仅0.8 mm×0.7 mm×0.1 mm，基本达到了设计目的。该均衡器可以广泛应用于该频段各类收发组件，用以改善系统带内波动，实现幅度均衡。文中的设计方法在其他频段均衡器设计中也可以应用，在各类小型化系统中具有广泛的应用前景和价值。

[1] 王鹏飞，陶业荣，宋庆辉. 基于LTCC技术的均衡器设计[J]. 无线电工程，2013, 43（7）.

[2] 申华军，等. GaAs MMIC用无源元件的模型[J]. 2006, 27（10）.

[3] I D Robertson, S Lucyszyn. RFIC and MMIC design and technology [M]. London：The institution of Electrical Engineers.

[4] Mike Golio. RF and Microwave Semiconductor device Handbook [M]. CRC press.

Monolithic Equalizer Design Using GaAs MMIC Technology

SHEN Yiming, ZHANG Junzhi
（Nanjing Electronic Device Institute, Nanjing 210016, China）

Amplitude equalizer is widely used in many microwave modules, and it is one of the key proportions. A monolithic equalizer is proposed, which is fully analyzed, and then realized in GaAs MMIC standard technology. The working frequency is between 22 to 32 GHz. The size is 0.8 mm×0.7 mm×0.1 mm. Minus 5 dB slope, not bad SWR, and 2.53 insert loss @32 GHz is get, which meets the design targets.

GaAs MMIC; fixed-resistance structure; amplitude equalizer