CN107332538A - 一种数字移相器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种数字移相器，包括数字移相电路和GaN基；其中，数字移相电路位于GaN基上，数字移相电路采用全通型结构的数字移相电路，该全通型结构的数字移相电路具有AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)作为开关器件。本发明的数字移相器提高了相控阵雷达、通信、电子对抗以及智能武器等军事***与装备中收发组件的性能，并且提高相移精度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件及传感器领域，尤其涉及一种数字移相器。
背景技术
移相器(Phase Shifter)是用来改变传输信号相位的器件，在雷达、通讯***、仪表仪器、导弹控制***等众多技术领域中有着广泛的应用前景。其中，相控阵雷达是移相器最为重要的应用领域。发射/接收(T/R)组件是现代有源相控阵雷达***中的核心部件，其性能优越与否在很大程度上影响相控阵雷达***的整体性能，包括衰减器、微波开关、限幅器、移相器等微波控制电路元件。其中移相器的移相精度决定了T/R组件乃至雷达能否实现波束对空中目标的快速、准确定位以及波束的副瓣抑制能力。因此，移相器部件的性能决定了T/R组件设计的成败，其成本、性能、质量、体积、可靠性也直接影响着相控阵雷达***的相应指标。
现有的移相器，主要采用砷化镓(GaAs)工艺的高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺来实现。GaN器件为代表的第三代宽禁带半导体器件，可以工作在高温大功率以及辐射等恶劣的条件下，功率容量大，具有GaAs等其他半导体材料在微波射频领域无法比拟的性能优势，可以进一步改善雷达收发组件的性能。针对中等相移量的数字移相器电路，目前大多采用加载线型的拓扑结构，该结构由于需要引入λ/4微带线，不利于移相器集成和缩小面积，且相移精度较差，有必要提出更高性能的数字移相器。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明旨在解决上述问题，提供了一种具有更好性能的数字移相器，用于解决移相器在集成和面积上存在的问题，并且能够提高相移精度。
(二)技术方案
本发明的一方面提供一种数字移相器，包括：GaN基底；以及数字移相电路，形成于该GaN基底上；
其中，所述数字移相电路采用全通型结构的数字移相电路，该全通型结构的数字移相电路采用AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率场效应晶体管作为开关器件。
其中，所述全通型结构的数字移相电路，包括第一开关器件101、第二开关器件106、第一电容102、第二电容104、第一电感103、第二电感105和第三电感107，其中：
第一开关器件101和第二开关器件106均采用场效应晶体管；
第一开关器件101的源极依次连接第一电感103、第三电感107后返回连接第一开关器件101的漏极，第一开关器件101的源极和第一开关器件101的漏极之间并联第一电容102；
第二开关器件106的源极连接第二电感105后返回连接第二开关器件106的漏极；第二开关器件106的源极接地；
第二电容104，一端连接于第一电感103和第三电感107中间的位置，一端连接第二开关器件106的漏极。
其中，所述第一开关器件101和第二开关器件106采用的场效应晶体管为具有AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)。
其中，所述具有AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率场效应晶体管，包括衬底SiC，其上依次为成核层AlN、异质结AlGaN/GaN中的GaN层、异质结AlGaN/GaN中的AlGaN层。
其中，所述AlGaN层上表面两端具有源极S和漏极D。
其中，所述源极S和漏极D与AlGaN层的接触均为欧姆接触，且源极S和漏极D采用Ti/Al/Ti/Au材料的叠层。
其中，所述AlGaN层上表面的中间为栅极G。
其中，所述栅极G与AlGaN层的接触为肖特基接触，且栅极G采用Ti/Au材料的叠层。
其中，所述栅极G，其栅长为0.25μm，栅宽为8×100μm。
其中，所述GaN层和所述AlGaN层之间还包括***层AlN，用于促进二维电子气(2DEG)的激发。
(三)有益效果
本发明提供的数字移相器，具有以下积极效果：
(1)本发明的数字移相器，针对中等相移量的相位需求，采用全通型拓扑结构的数字移相电路，不需要引入λ/4微带线，并采用精确容值和感值的器件，从而利于移相器集成和缩小面积，并且，该种设计在频段内具有更低的相位误差，提升了移相器电路的相移精度，从而大大提高了相控阵雷达、通信、电子对抗以及智能武器等军事***与装备中收发组件的性能。
(2)本发明的数字移相器，适合工作在高温、辐射等恶劣环境中以及具有高功率容量的特点。
附图说明
图1为根据本发明实施例的数字移相器的结构示意图；
图2为根据本发明实施例的数字移相器的HEMT器件的截面示意图；
图3为根据本发明实施例的数字移相器的频率-相移仿真示意图；
图4为根据本发明实施例的数字移相器的输入输出端口间频率-***损耗仿真示意图；
图5为根据本发明实施例的数字移相器的输入输出端口间频率-输入回波损耗仿真示意图；
图6为根据本发明实施例的数字移相器的输入输出端口间频率-输出回波损耗仿真示意图；
图7为根据本发明实施例的数字移相器的输入输出端口间输入功率-输出功率实测示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
在本实施例中，该数字移相器为基于GaN基MMIC工艺设计的数字移相器，该数字移相器包括：GaN基底；数字移相电路，形成于该GaN基底上；其中，数字移相电路采用全通型结构的数字移相电路，该全通型结构的数字移相电路采用AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率场效应晶体管作为开关器件。相较于GaAs材料，GaN材料具有更宽的禁带宽度，更大的电子饱和漂移速率、更高的临界击穿场强等特点，由于热生泄漏电流主要由禁带宽度决定的，因此在给定温度下，GaN比其它窄带半导体材料的热生泄漏电流小几个数量级，充分显示其在高温条件下的应用潜力。其中，输入输出信号电极RFin、RFout连接欧姆端口；移相电路采用0.25μm，栅宽分别为8×100μm；偏置线提供控制开关器件开启/关断所需的栅极电压Vg为0/-5V。
如图1所示，移相电路采用全通型结构的数字移相电路，其包括第一开关器件101和第二开关器件106、第一电容102和第二电容104、第一电感103和第二电感105以及连接各元件的微带线。偏置线提供0V栅极电压控制开关器件开启或提供-5V栅极电压控制开关器件关断，实现信号在不同支路上的传播，即形成不同相位状态的切换。
在本实施例中，相移量为22.5°。当偏置线提供-5V栅极电压控制第一开关器件101关断、提供0V栅极电压控制第二开关器件106开启时，定义为移相态，此时第一开关器件101被看做一个小的关断电容，第二开关器件106等效为一个非常小的串联电阻，近似于理想导通，将第二电感105短接到地，整个网络等效为一个全通滤波结构。当偏置线提供0V栅极电压控制第一开关器件101开启、提供-5V栅极电压控制第二开关器件106关断时，定义为参考态，此时第一开关器件101可以等效为一个非常小的串联电阻，近似于理想导通，而第二开关器件106则相当于一个小的关断电容，与第二电感105形成并联谐振，防止射频信号泄露到地。因此可以得到一个近似为零的相位响应。偏置线控制信号在移相态、参考态两种状态下的切换，即可得到所需相移量。
第一开关器件101和第二开关器件106采用的场效应晶体管为具有AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)。
图2为根据本发明实施例的数字移相器的HEMT器件的截面示意图，如图2所示，具有AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率场效应晶体管，包括衬底SiC，其上依次为成核层AlN、异质结AlGaN/GaN中的GaN层、异质结AlGaN/GaN中的AlGaN层；其中，AlGaN层上表面两端具有源极S和漏极D。源极S和漏极D与AlGaN层的接触均为欧姆接触，且源极S和漏极D采用Ti/Al/Ti/Au材料的叠层。其中，AlGaN层上表面的中间为栅极G。其中，栅极G与AlGaN层的接触为肖特基接触，且栅极G采用Ti/Au材料的叠层。其中，GaN层和AlGaN层之间还包括***层AlN，用于促进二维电子气(2DEG)的激发。其中，栅极G，其栅长为0.25μm，栅宽为8×100μm。
图3为根据本发明实施例的数字移相器的频率-相移仿真示意图；其中，横轴为输入射频信号的频率，纵轴为该移相器的相移精度，由图3可知，移相器的相移精度随输入射频信号频率为11GHz时最佳，整体的相移精度范围为-1.8～1.3°。
图4为根据本发明实施例的数字移相器的输入输出端口间频率-***损耗仿真示意图；其中，横轴为输入射频信号的频率，纵轴为该移相器的***损耗，由图4可知，在8.5～12GHZ，随着输入射频信号频率的增加，移相器的参考态和移相态***损耗也随之而增加，整体***损耗均小于-1dB。
图5为根据本发明实施例的数字移相器的输入输出端口间频率-输入回波损耗仿真示意图；其中，横轴为输入射频信号的频率，纵轴为该移相器的输入回波损耗，由图5可知，在8.5～12GHZ，随着输入射频信号频率的增加，移相器的参考态和移相态输入回波损耗也随之而减小，整体输入回波损耗均小于-35dB。
图6为根据本发明实施例的数字移相器的输入输出端口间频率-输出回波损耗仿真示意图。其中，横轴为输入射频信号的频率，纵轴为该移相器的输出回波损耗，由图6可知，在8.5～12GHZ，随着输入射频信号频率的增加，移相器的参考态和移相态输出回波损耗也随之而减小，整体输出回波损耗均小于-32dB。
图7为根据本发明实施例的相同移相量的GaN数字移相器与GaAs数字移相器的输入功率-输出功率实测对比示意图。其中，横轴为输入功率，纵轴为输出功率和功率压缩量，由图7可知，GaN移相器的功率容量优于GaAs移相器，GaN移相器的输入功率P1dB压缩点为35dBm，而GaAs移相器的输入功率P1dB压缩点为24dBm，GaN移相器的饱和输出功率为34.5dBm，GaAs移相器的饱和输出功率为22.5dBm
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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。
Claims (10)
1.一种数字移相器，包括：
GaN基底；以及
数字移相电路，形成于该GaN基底上；
其中，所述数字移相电路采用全通型结构的数字移相电路，该全通型结构的数字移相电路采用AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率场效应晶体管作为开关器件。
2.根据权利要求1所述的数字移相器，其中，所述全通型结构的数字移相电路，包括第一开关器件(101)、第二开关器件(106)、第一电容(102)、第二电容(104)、第一电感(103)、第二电感(105)和第三电感(107)，其中：
第一开关器件(101)和第二开关器件(106)均采用场效应晶体管；
第一开关器件(101)的源极依次连接第一电感(103)、第三电感(107)后返回连接第一开关器件(101)的漏极，第一开关器件(101)的源极和第一开关器件(101)的漏极之间并联第一电容(102)；
第二开关器件(106)的源极连接第二电感(105)后返回连接第二开关器件(106)的漏极；第二开关器件(106)的源极接地；
第二电容(104)，一端连接于第一电感(103)和第三电感(107)中间的位置，一端连接第二开关器件(106)的漏极。
3.根据权利要求2所述的数字移相器，其中，所述第一开关器件(101)和第二开关器件(106)采用的场效应晶体管为具有AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)。
4.根据权利要求3所述的数字移相器，其中，所述具有AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率场效应晶体管，包括衬底SiC，其上依次为成核层AlN、异质结AlGaN/GaN中的GaN层、异质结AlGaN/GaN中的AlGaN层。
5.根据权利要求4所述的数字移相器，其中，所述AlGaN层上表面两端具有源极(S)和漏极(D)。
6.根据权利要求5所述的数字移相器，其中，所述源极(S)和漏极(D)与A1GaN层的接触均为欧姆接触，且源极(S)和漏极(D)采用Ti/Al/Ti/Au材料的叠层。
7.根据权利要求4或5所述的数字移相器，其中，所述A1GaN层上表面的中间为栅极(G)。
8.根据权利要求7所述的数字移相器，其中，所述栅极(G)与AlGaN层的接触为肖特基接触，且栅极(G)采用Ti/Au材料的叠层。
9.根据权利要求7所述的数字移相器，其中，所述栅极(G)，其栅长为0.25μm，栅宽为8×100μm。
10.根据权利要求4所述的数字移相器，其中，所述GaN层和所述AlGaN层之间还包括***层AlN，用于促进二维电子气(2DEG)的激发。
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