一种基于GaAs肖特基二极管W波段混频器芯片设计

樊帆　傅琦

摘  要：对基于GaAs肖特基二极管的W波段单平衡混频器进行了研究，包括肖特基二极管特性等效电路拟合、曲线测试、参数提取、模型建立。基于单平衡混频器隔离度和杂散抑制的机理，研究了W波段巴伦的设计。基于GaAs pHEMT工艺，结合W波段电路设计方法，研发了一款射频频率覆盖90～98 GHz，中频频率覆盖1～9 GHz，本振频率覆盖86～98 GHz，本振功率为11 dBm的无源单平衡混频器。芯片通过探针台在片测试，在W波段内有较好的性能，其中变频损耗小于10 dB，本振射频隔离度在92～96 GHz内大于35 dB。

关键词：砷化镓；单平衡混频器；W波段；变频损耗

中图分类号：TN914.42  文献标识码：A  文章编号：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

随着信道容量，频谱带宽，组件小型化等多方面需求的不断提高，W波段收发组件在星间通信、扫描成像、车载防撞雷达、无人机着陆探测等领域得到广泛应用[1-3]，但由于器件和工艺的局限，W波段的研究相对缓慢。混频器作为收发组件中频率变化的关键元器件，其性能指标直接影响了收发组件的架构和组件的频谱特性。因此W波段混频器的研发十分关键。

由于W波段组件射频、本振工作频率与中频信号频率相差较远，且高频电路本振功率太大会极大影响组件功耗，该频率混频器设计大都采用单平衡混频器架构形式[4-6]，该结构混频器有着较高的端口间隔离度和杂散抑制度，且本振驱动功率较双平衡混频器低3 dB，因此广泛应用在高频电路设计中。从衬底材料方面考虑，不同半导体材料的W波段混频器芯片均有报道。2009年，韩国的Oh等人通过优化二极管结构和工艺实现形式，基于mHEMT工艺研发出覆盖91～97 GHz的GaAs混频器[7]。2014年，天津大学的Wu等人研发了基于CMOS二极管的混频器[8]。2015年，中国电子科技集团公司第十三研究所的赵宇等人，通过基于InP的高电子迁移率工艺，制造了一款3 mm单平衡混频器芯片[9]。除此之外基于GaN、SiGe的混频器设计均有报道，但由于其材料的高频特性受限，大都工作在Ka波段以下[10-12]。

本文采用自主控制的GaAs高电子迁移率工艺。最终设计了一款单平衡混频器芯片，射频频率覆盖90～98 GHz，中频频率覆盖1～9 GHz，本振频率覆盖86～98 GHz。测试结果显示，在本振功率为11 dBm的情况下，变频损耗小于10 dB，本振射频隔离度大于29 dB，在92～96 GHz隔离度大于35 dB，且能够兼容上变频和下变频使用，芯片尺寸为1.1 mm×0.9 mm。

1  器件模型

无源混频器的核心为肖特基二极管，肖特基二极管是最常用的混频非线性器件，二极管采用金属-半导体接触，是多子作用的非线性器件，导通、截止过程中几乎没有载流子恢复时间，非常适用于混频器设计。考虑工作频段为W波段，需要采用截止频率较高的二极管，因此选择栅长为0.09 μm的GaAs pHEMT工艺。GaAs工艺较CMOS工艺有更高的电子迁移率，适用与高频电路设计。该工艺采用电子束写栅，精度高，二极管截止频率高，高频性能好，芯片一致性好。

由于混频器工作在高频，二极管阳极、阴极和地之间存在寄生电容，阳极与阴极由于空气桥跨桥存在寄生电感，二极管中空气桥分别与阳极和阴极连接产生接触电阻，对IV、CV特性曲线影响较大，通过模型外插获得的仿真模型准确性较低。因此本次设计，采用实测IV、CV特性曲线对二极管进行拟合，主要是CV特性曲线的提取。传统CV曲线提取方法通过去嵌入S参数进行提取，提取方式相对复杂，且矢网测试过程中高频寄生相对较大。本次设计中采用低频探頭直接获取CV参数[13]和高频矢网测试外围电路寄生参数的组合模式，将CV特性参数分为两个部分。首先，由半导体器件分析仪直接输出一个1 MHz的信号，仪器通过计算不同偏压下的输入输出，直接获取时变的CV曲线。其次，结合上一步骤中的低频CV曲线，利用高频矢网测试已经去嵌入的二极管阳极、阴极焊盘，获取肖特基二极管准确的外围电路寄生参数。二极管等效电路模型如图1所示，通过优化拟合上述参数，获得准确的二极管CV曲线。

模型测试在芯片探针台进行，通过PIV、矢量网络分析仪、扩频模块、半导体器件分析仪等仪器进行IV特性曲线和CV特性曲线的测试，在软件中对测试数据进行公式拟合。最终通过准确的IV和CV拟合公式及外围寄生电路，建立起准确的可仿真模型，如图2所示。

通过曲线拟合可以看出，公式拟合曲线与实测曲线一致性良好。CV曲线拟合过程中，在偏压为0.3 V左右，结电容与实测存在一定差距。若采用复杂度较高的公式进行曲线拟合，可以使曲线拟合度更高，但是需用使用多个公式分段表达，曲线存在奇点，仿真收敛性较差，影响设计仿真进度，因此在拟合度上做出牺牲。由曲线拟合度判定，上述曲线拟合度大于99.97%，能够准确表征二极管特性，满足正常仿真需求，因此采用该二极管模型进行仿真设计。考虑实际应用，结合不同栅宽二极管的结电容区别，设计中选用总栅宽为10 μm的肖特基二极管。

2  电路设计与仿真

巴伦设计是混频器电路中的重点。巴伦可以抑制混频器产生的偶次谐波，良好的巴伦平衡度可以提高端口隔离度和杂散抑制度。理想的单平衡混频器，输出信号满足以下公式：

本振信号通过180°巴伦，将信号一分为二，等幅反向地加载在混频二极管上，保证两只二极管同时开启与关断。因此，对于理想巴伦，当m为偶数时，I （t）为0，即LO信号的偶次分量被抵消，因此单平衡混频器有较高的本振隔离度，且杂散分量为单端混频器的二分之一。

对于W波段混频器，首先需要设计一款W波段的180°巴伦。高频巴伦由于器件尺寸与工作波长相当，设计中采用多线耦合的宽带Marchand巴伦，结构示意图如图3所示。多线耦合的宽带Marchand巴伦能提高耦合度，减小巴伦损耗，其宽带特性和共模阻抗抑制高等特点保证高频频带的设计余量和巴伦幅度相位平衡度。采用三維EM仿真对巴伦进行优化，考虑微带走线的对地寄生电容较大，将巴伦线宽设计为6 μm，以减小到地寄生，巴伦线间距为5 μm，巴伦线长650 μm，GaAs介电常数12.9。通过优化设计，巴伦平衡性较好，巴伦插入损耗1.8 dB，幅度平衡度小于0.5 dB，相位平衡度小于2°，满足设计要求。

混频器设计中在中频端口增加片上LC低通滤波，既可以滤除高频带外杂散，也可以匹配端口阻抗。常见的片上信号传输采用50 Ω微带线结构，对于高频信号而言，50 Ω微带线线宽导致到地寄生太大，阻抗向史密斯圆图下半周偏移，影响端口匹配，因此设计中常采用高阻线或者共面波导结构。在本电路设计中，多采用共面波导形式，该走线方式将电磁场束缚在走线周围，可以减小线间耦合，提高端口隔离度。高频电路设计中，串联电容采取多个电容串联替代单一电容或者交指电容形式，并联到地电容均采用扇形结构，这种电容设计方式有效减小工艺波动对电路设计的影响。此外，端口采用间距为100 μm的GSG端口，通过仿真匹配，使其在W波段有较好传输特性，回波损耗均小于-20 dB。在设计中，将地孔连接在一起，使芯片产生大面积地，有效减少各端口间、走线之间的信号串扰。仿真采用三维EM仿真对无源电路部分进行设计，带入前一章节的二极管模型，通过软件采用谐波仿真进行仿真优化，仿真结果如图4所示。

由仿真结果可知，混频器在射频92～96 GHz、中频1～9 GHz的使用条件下，变频损耗优于-10 dB，满足指标需求。端口隔离度是混频器芯片的重要指标，较差的端口隔离度会造成组件中频谱不纯净，与前后级信号形成组合干扰，在发射机中影响探测能力，在接收机中影响灵敏度。对于W波段混频器，射频、本振频率与中频频率相距很远，下变频使用过程中可以在中频端口增加低通滤波器将高频信号滤除，因此本设计中主要考虑频率间隔相距较近的本振射频隔离度。由仿真可知，通过信号共面波导走线与合理地设计端口位置，本振射频隔离度优于24 dB，满足组件实际使用需求。

3  测试结果与分析

芯片采用自主可控的GaAs pHEMT高电子迁移率工艺进行流片，芯片照片如图5所示。

流片完成后，在探针台进行探针测试。矢量网络分析仪采用N5247A 67 GHz四端口矢网，四端口矢网连接至扩展单元，扩频模块分别连接扩展单元的1端口与3端口，对应待测件的射频和本振，扩频模块将频率扩展至67～120 GHz。射频端扩频模块输出与矩形波导相连，最后与GSG间距为100 μm的高频探针连接。本振端扩频模块输出至驱动放大器模块，该放大器工作频率为80～100 GHz，标定的输出功率典型值13 dBm，放大器模块输出端与矩形波导相连，最后与间距为100 μm的高频探针连接。通过功率计标定本振端针尖输出功率典型值11 dBm。W波段信号传输采用矩形波导，损耗小，测试一致性良好，保证测试过程准确可靠。为方便三端口垂直针GSG校准，中频端使用间距为100 μm的高频探针，经测试验证，低频频率响应良好。探针测试系统如图6所示。

通过标量混频模式对射频、中频端口进行校准，本振端口通过功率计标定功率进行测试。如图7，由测试曲线可知，单平衡混频器射频频率覆盖90～98 GHz，中频频率覆盖1～9 GHz，本振频率覆盖86～98 GHz，带内变频损耗小于10 dB。实测本振射频隔离度优于29 dB，在组件实际使用的92～96 GHz，隔离度优于35 dB。

由实测结果可知，变频损耗和中频响应曲线，仿真实测趋势拟合较好，实测变频损耗优于仿真，实测本振射频隔离度曲线明显优于仿真。判断变频损耗大小误差主要因有两方面：首先，二极管模型中，接触电阻和导通电阻可能存在偏差，实际电路中二极管电阻更小；其次，本振功率采用功率计标定形式，即本振功率输出功率取决于当前状态下放大器输出功率，放大器输出功率在11 dBm左右，有一定波动，造成变频损耗曲线有波动。判断本振射频隔离度误差主要由三方面产生：首先，巴伦平衡度和二极管寄生误差影响隔离度，由于二极管拟合过程中阳极和阴极耦合电容较大，仿真中本振耦合较强，而实测耦合弱于仿真；其次，仿真软件是基于衬底的三维仿真，空间耦合仿真准确性有待提高，后续工作采用更多仿真软件验证器件空间耦合特性；最后，在二极管CV曲线拟合过程中，考虑仿真收敛性，牺牲了部分CV特性的准确性，最终影响仿真隔离度指标。由于芯片走线均采用共面波导结构，将电磁场束缚在微带线走线周围，减小空间耦合，最终本振射频隔离度较设计值优化。综上，GaAs肖特基二极管的单平衡混频器性能较好，仿真实测结果基本一致，满足W波段组件使用需求。

4  结  论

基于自主控制的0.09 μm GaAs高电子迁移率工艺，并对肖特基二极管IV、CV特性曲线与外围等效电路进行测试、拟合，并形成修正模型。基于该修正模型，设计了一款射频频率覆盖90～98 GHz，中频频率覆盖1～9 GHz，本振频率覆盖86～98 GHz的单平衡混频器。该芯片性能良好，在本振功率为11 dBm的情况下，变频损耗小于10 dB，本振射频隔离度在92～96 GHz大于35 dB，且能够满足上变频、下变频使用，芯片尺寸为1.1 mm×0.9 mm。

该芯片已经用于W波段组件中，组件性能良好，杂散抑制满足实际要求。该芯片的研制成功，不仅验证了该GaAs工艺在W波段的设计可行性，也丰富了W波段器件仿真、设计、测试经验，为后续高频器件的研究奠定基础。

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作者簡介：樊帆（1988—），男，汉族，河北石家庄人，工程师，硕士研究生，研究方向：电路设计、加工工艺和材料优化。

收稿日期：2023-01-05