СВЧ-МОДУЛЬ Российский патент 2000 года по МПК H01L27/02 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано при создании интегральных, в том числе монолитных, схем СВЧ.

Широко известны гибридные интегральные схемы СВЧ на основе линий передачи типа finline или волноводно-щелевых линий [1]. В этом случае интегральная схема СВЧ, включающая пассивные и активные элементы, крепится в продольном сечении волновода и согласуется с волноводом с помощью плавных или ступенчатых переходов на основе волноводно-щелевой линии. Технология finline обеспечивает целый ряд достоинств при создании СВЧ-модулей и устройств. Она позволяет создать широкополосные одномодовые устройства с низкими внутренними потерями и потерями на излучение, хорошо сочетается с технологией гибридных и монолитных интегральных схем, с другими линиями передачи и с волноводными конструкциями. С использованием этой технологии создан целый ряд СВЧ-модулей (компонент), таких как фильтры, аттенюаторы, смесители, детекторы, переключатели и другие. Созданы также более сложные многофункциональные модули и устройства, такие, например, как многоканальные приемники и радары.

Перечисленные модули и более сложные устройства созданы в основном в миллиметровом диапазоне волн, который с точки зрения размеров гибридных интегральных схем и возможностей используемых технологических приемов (в частности, фотолитографии) является оптимальным для технологии finline. Созданные таким образом модули СВЧ, приведенные в работе [1], могут рассматриваться в качестве аналогов предлагаемого модуля.

К недостаткам таких модулей можно отнести наличие потерь мощности в диэлектрических подложках гибридных интегральных схем и сложность монтажа активных элементов в схемы. Эта сложность увеличивается по мере уменьшения размеров активных элементов и интегральных схем и приводит, таким образом, к ограничениям на размеры интегральных схем снизу, что приводит в свою очередь к ограничению по частоте сверху. Согласно [1] верхний частотный предел для гибридных интегральных схем СВЧ, выполненных по технологии finline, соответствует 2-мм диапазону волн.

Другим недостатком таких схем и модулей на их основе являются их относительно большие размеры. Дело в том, что линейные размеры схем в значительной степени определяются размерами согласующих и развязывающих элементов, которые обычно сравнимы с длиной волны в волноводе (λ_в). Это означает, что в 8-мм диапазоне волн размеры гибридных интегральных схем, выполненных по технологии finline, могут достигать десятка миллиметров и более.

Первый недостаток СВЧ-модулей на основе гибридных интегральных схем типа finline был частично устранен в смесительных и детекторных модулях миллиметрового диапазона волн, описанных в работе [2]. В этих модулях использованы не гибридные, а монолитные интегральные схемы смесителей и детекторов. Но они подобно гибридным конструкциям смесителей монтировались в продольное сечение волновода, т.е. собирались в соответствии с технологией finline. При изготовлении этих схем на последнем этапе основная часть подложечного полупроводникового материала (GaAs) удалялась. С помощью фотолитографии оставлялись только отдельные кристаллы, на которых были сформированы диоды с барьером Шоттки (ДБШ), развязывающие емкости в цепи смещения и промежуточной частоты, а также вспомогательные кристаллы (которые также можно отнести к пассивным элементам), с помощью которых скреплялись отдельные части монолитной схемы в единое целое. В качестве носителя в такой схеме выступала не полупроводниковая подложка, а металлизация (золото толщиной 6-10 мкм), отдельные участки которой выполняли функции отрезков линий передачи и элементов согласования.

Технология монолитных интегральных схем, использованная в [2] при изготовлении смесительных и детекторных модулей, устраняла проблемы, связанные с монтажом ДБШ в схему, поскольку ДБШ создавались в едином процессе со всеми другими элементами схемы (элементами линий передачи, согласования и развязывающими емкостями). Это позволяло достичь более высокой степени миниатюризации схемы, т.е. повысить ее частотный диапазон. С другой стороны, удаление большей части подложки способствовало уменьшению потерь мощности в схеме, т.е. повышению эффективности преобразования сигнала в смесителе и детекторе. Благодаря использованию технологии монолитных интегральных схем были созданы смесительные модули, эффективно работающие в 1,5 мм диапазоне волн [3].

Однако и монолитные смесители, приведенные в работе [2], не лишены еще одного недостатка (который указан выше), характерного для гибридных конструкций, выполненных по технологии finline: большие линейные размеры схем в длинноволновой части миллиметрового диапазона.

Описанная в [2] конструкция монолитного интегрального смесителя может быть использована в качестве прототипа предлагаемого нами СВЧ-модуля.

Цель предлагаемого изобретения заключается в уменьшении линейных размеров интегральных схем и модулей СВЧ на их основе, выполненных по технологии finline, когда интегральная схема крепится в продольном сечении волновода. Эта цель достигается тем, что отдельные участки (элементы) схемы отделяются между собой металлической перегородкой, устанавливаемой в поперечном сечении волновода и имеющей отверстие, через которое отдельные участки (элементы) схемы соединятся между собой.

Сущность изобретения поясняется нижеследующими рисунками 1, 2, 3, 4 на примере монолитной интегральной схемы смесителя.

На фиг.1 представлен смесительный модуль с монолитной схемой смесителя, взятый нами в качестве прототипа, вид в продольном сечении волновода, где размещена монолитная схема. Символами f_c и f_г обозначены принимаемый сигнал и сигнал гетеродина. l - последовательная диодная пара (ДБШ) монолитного балансного смесителя; 2 - четвертьволновый отрезок волноводно-щелевой линии, выполняющий роль согласующего трансформатора по каналу сигнала; отрезки линий 3, 4 и 5 выполняют роль согласующего трансформатора по каналу гетеродина, преобразующего одновременно волну Н10-типа в Т-волну. Дополнительное согласование по сигнальному каналу достигается с помощью отрезков волноводно-полосковой линии 6 и копланарной линии 5. Более подробное описание дано в [2] . 7 и 8 - выводы для подачи постоянного смещения на диоды и для сигнала промежуточной частоты (ПЧ) соответственно.

На фиг. 2 представлена конструкция предлагаемого смесительного модуля с перегородкой в поперечном сечении волновода: на фиг.2а показан волноводный корпус с закрепленной в нем монолитной схемой балансного смесителя; на фиг 2б отдельно показан волноводный корпус (продольное сечение) с перегородкой, содержащей отверстие в центральной части, через которое на диодную пару подается сигнал гетеродина. Обозначения f_c, f_г, 1 и 2 имеют тот же смысл, что и на фиг.1; 3 - полуволновый отрезок копланарной линии, состоящей из двух четвертьволновых отрезков, служащий для согласования диодной пары с каналом гетеродина и преобразования Н10-волны в Т-волну; 4 - кристаллы GaAs, на которых сформирован фильтр ПЧ; 5 - вспомогательный кристалл GaAs, служащий для упрочнения монолитной схемы, придания ей большей жесткости (кристалл 5 расположен в отверстии перегородки), 6 - вывод ПЧ, 7 - перегородка в поперечном сечении волновода с отверстием 8 в центральной части.

На фиг.3а представлена конструкция смесительного СВЧ-модуля с зауженным сечением волновода и перегородкой в поперечном сечении волновода. На фиг.3б выделено место включения монолитной схемы. На фиг.3в и 3г показаны варианты корпусов с перегородкой, в которых может быть размещена монолитная схема.

Непосредственно в корпусе СВЧ-модуля выполнены переходы для согласования смесителя по цепи сигнала и гетеродина. Слева от перегородки на расстоянии около 1/8 λ_в (отрезок волноводно-полосковой линии 2, фиг.3б) находится диодная пара 1, справа - петля связи с каналом гетеродина 3 и согласующий отрезок щелевой линии 4. Длина отрезка петли связи вдоль волновода составляет около 1/8 λ_в. 5 и 6 - вспомогательные кристаллы GaAs для упрочнения схемы (кристалл 6 расположен в отверстии перегородки). 7 - перегородка в поперечном сечении волновода. 8 - вывод для подачи смещения на диодную пару, 8' - фильтр для цепи питания, выполненный на кристалле GaAs, 9 - вывод ПЧ, 9' - фильтр ПЧ, выполненный на кристалле GaAs, 10 - отверстие в перегородке для подачи сигнала гетеродина, 11 - каналы в корпусе для подачи питания и для вывода ПЧ.

На фиг. 4 представлена конструкция смесительного модуля (фиг. 4а - общий вид, фиг. 4б - область крепления монолитной схемы), в котором кристалл 1 с размещенной на нем диодной парой смонтирован в отверстии 2 перегородки 3, а выводы кристалла являются квазисосредоточенными элементами связи с каналами сигнала (4 и 5) и гетеродина (6).

Как указывалось выше, увеличение линейных размеров смесителя связано с необходимостью выполнения требований развязки и согласования. В большинстве случаев необходимо согласование смесителя с каналами (цепями) сигнала и гетеродина в возможно широкой полосе частот. От степени согласования в цепи сигнала напрямую зависит чувствительность и широкополосность приемника, на входе которого включен смеситель. На практике согласование осуществляется с помощью согласующих трансформаторов. В простейшем случае это может быть четвертьволновый отрезок щелевой линии 2, как показано на фиг.1 и 2.

От согласования в цепи гетеродина зависит прежде всего величина требуемой мощности гетеродина. Учитывая маломощность твердотельных источников излучения в мм- диапазоне волн, крайне желательно, чтобы требуемая мощность была минимально возможной, а это достигается при хорошем согласовании и низких потерях мощности в цепи гетеродина.

Согласование в цепи гетеродина в балансных смесителях осложнено тем, что диодная пара должна быть включена синфазно по отношению к принимаемому сигналу и противофазно по отношению к излучению гетеродина. Это означает, что волноводный тип волны излучения гетеродина (Н10) должен бить преобразован в коаксиальный (Т-волна). Наконец, в большинстве случаев между каналами сигнала и гетеродина должен иметь место высокий уровень развязки (более 20 дБ). Выполнение указанных требований приводит к необходимости включения в схему специальных согласующих и развязывающих элементов (отрезки линий 3-6 на фиг. 1), что и является основной причиной увеличения линейных размеров схемы до -1,5 λ_в [2].

Проведенные нами исследования (физическое моделирование) показали, что размеры схемы можно существенно уменьшить за счет уменьшения размеров трансформатора для согласования в цепи гетеродина, фиг. 2. При этом ухудшается только один параметр смесителя: развязка каналов сигнала и гетеродина. При размерах схемы около 3/4 λ_в (что почти в два раза меньше, чем размеры схемы на фиг. 1) она не превышает 13 дБ и имеет место в относительно узкой полосе частот (менее 1 ГГц). Другие параметры находятся на обычном уровне, соответствующем уровню смесителя, представленного на фиг. 1 [2]. Более того, заметно уменьшаются потери мощности (т. е. улучшается согласование) в цепи гетеродина. Это обстоятельство позволяет отказаться от цепи смещения, поскольку смеситель эффективно работает при мощности гетеродина около 2 мВт.

Проблему увеличения развязки без нарушения согласования в цепи сигнала и гетеродина и без ухудшения других параметров удается решить введением перегородки 7, фиг. 2, 3, которая помещается в поперечном сечении волновода на расстоянии около (фиг. 2) или менее (фиг. 3) λ_в/4 от диодной пары и содержит отверстие для центрального полоска копланарной (радиальной) линии. Развязка каналов сигнала и гетеродина составляет при этом около 35 дБ во всем диапазоне волновода, тогда как для смесителя, представленного на фиг. 1, она обычно не превышает 25 дБ и наблюдается в более узком частотном диапазоне. Минимальная толщина металлической перегородки, обеспечивающая необходимую развязку и преобразование одного типа волны в другой, составляет не более 1/16 λ_в, , как показывают эксперименты и известные данные. Размеры отверстия в перегородке должны соответствовать запредельному волноводу с высоким затуханием для основного типа волны.

Таким образом, принципиальным в предлагаемом нами техническом решении является то, что указанные функции согласования, преобразования типа волны и развязки решаются с помощью включения в волновод металлической перегородки, разделяющей смесительный модуль на две области, фиг. 2, 3. В одной из них расположена диодная пара с элементами согласования с каналом сигнала (при необходимости). В другой - петлеобразный элемент связи (элемент согласования) с каналом гетеродина, а также элементы развязки канала гетеродина и цепи промежуточной частоты (ПЧ). Связь между двумя указанными областями осуществляется с помощью отрезка линии передачи, проходящего через отверстие в перегородке.

Какие-либо сведения о наличии и использовании подобных решений, как показывает патентный поиск, отсутствуют. Таким образом, предлагаемое техническое решение обладает новизной и, как указано выше, существенным положительным эффектом, выражающимся в уменьшении линейных размеров интегральных схем.

Наряду с введением перегородки в поперечном сечении волновода существенные дополнительные возможности для уменьшения размеров схемы смесителя дает использование зауженного (по узкой стенке) волновода, фиг. 3. Прежде всего, заужение приводит к уменьшению ширины схемы, так как последняя определяется размером узкой стенки волновода. Кроме того, исчезает необходимость в согласующем трансформаторе в цепи сигнала, поскольку функцию согласования смесителя с каналом сигнала может выполнять ступенчатый переход, созданный непосредственно в волноводном корпусе. В результате длина схемы уменьшается еще на четверть длины волны и приближается к длине, равной 1/2 λ_в.
В процессе исследований смесителей в зауженных (низкоомных) волноводах были обнаружены новые возможности для уменьшения их размеров. Как оказалось, используемые нами петли связи в этом случае ведут себя как квазисосредоточенные элементы. Перекрывая вблизи перегородки все сечение волновода, см. фиг. 3б, петля связи обеспечивает преобразование в коаксиальный тип из волноводного всей СВЧ- мощности, при этом размеры ее в зависимости от степени заужения могут быть много меньше длины волны - от 1/8 до 1/20 λ_в. Реально нами создана монолитная схема смесителя 8-мм диапаэона, длина которой составила 2,75 мм (около 0,34 λ_в), фиг. 3а, б. Эксперименты показали, что оптимальный размер петли - квадрат со стороной, равной высоте зауженного волновода. В то же время было показано, что чрезмерное заужение волновода (более, чем в два раза) не всегда целесообразно, так как создает дополнительные проблемы с согласованием смесителя, а также проблемы технологического порядка. Таким образом, размеры монолитной схемы 8-мм смесителя составили 2,75 х 2,0 мм, что сравнимо с размерами 2-мм монолитного смесителя "Корсаж" (2,85 х 1,6 мм) и существенно меньше размеров 3-мм монолитного смесителя "Терция" (4,25 х 2,0 мм) [2].

Созданная монолитная схема опробована в трех корпусах (с различными сечениями волновода) и, как оказалось, эффективно работает в диапазоне 26-70 ГГц. Потери преобразования составили 6-9 дБ (в однополюсном режиме), а коэффициент шума - 2,0-4,5 дБ (в двухполосном режиме). Практически такие же параметры получены при использовании в тех же корпусах монолитной схемы 2-мм балансного смесителя "Корсаж" при их незначительной модификации.

Следует сказать, что заужение волновода можно увеличить, а следовательно, еще более уменьшить размеры монолитной схемы смесителя, если использовать другой тип корпуса, фиг. 3г. Здесь заужение волновода выполнено не по всей длине широкой стенки волновода, а только в ее центральной части. Сопротивление такого волновода существенно выше, чем волновода на фиг. 3в при равных (в центре волновода) заужениях и согласование с каналами сигнала и гетеродина возможно при существенно больших заужениях.

Естественно, что тот же подход для уменьшения размеров монолитных схем смесителя можно использовать и в коротковолновой части мм-диапазона. Если при конструировании 3- и 2-мм монолитных смесителей использовать перегородку в поперечном сечении волновода, то, не прибегая к заужению волновода, их длину можно уменьшить до 3/4 λ_в (как на фиг. 2), т.е. более чем в 1,5 раза. Очевидно, что эффект будет еще больше, если использовать заужение волновода.

Интересный вариант конструкции балансного смесителя представлен на фиг. 4. Здесь кристалл с последовательной диодной парой смесителя закреплен в отверстии перегородки, а выводы к нему выполнены в виде петель связи с каналом сигнала и каналом гетеродина. Для длинноволновых диапазонов (6-8 мм) можно использовать дополнительное заужение волноводов, выполнив согласующие трансформаторы в цепи сигнала и гетеродина в виде ступенчатых переходов (фиг. 4а). В этом случае петли связи с каналами сигнала и гетеродина можно выполнить как квазисосредоточенные элементы (с длиной менее 1/4 λ_в ). В результате длину схемы легко довести до величины, близкой к 1/4 λ_в.
Для "коротких" миллиметров согласующие трансформаторы в виде четвертьволновых отрезков щелевых линий целесообразно выполнить непосредственно в монолитной схеме. При этом также оказывается возможным значительно уменьшить размеры согласующих петель связи. В результате длина схемы будет определяться указанными четвертьволновыми отрезками щелевых линий и составит около 1/2 λ_в. B абсолютных размерах это близко к размерам длинноволновых смесителей (6-8 мм) и составляет 1-1,5 мм.

Конструкция с размещением кристалла в отверстии перегородки может быль удобной и для других монолитных схем, например, для кристалла МШУ на входе приемника.

Рассмотренная конструкция балансного смесителя может быть использована и в качестве модулятора. Принцип работы модулятора в этом случае очевиден. В условиях баланса (когда импедансы диодов в диодной паре одинаковы) излучение генератора (гетеродина) не проходит в канал сигнала: модулятор заперт. При подаче на вход канала ПЧ управляющего сигнала (импульса тока) диодный баланс нарушается (один из диодов открыт, другой закрыт), развязка каналов сигнала и гетеродина падает, и излучение генератора проходит к сигнальному входу: модулятор открыт. Частотная полоса передаваемого (модулирующего) сигнала ограничивается полосой пропускания смесителя по ПЧ, которая в смесителях мм- диапазона может достигать десятков ГГц.

Основными параметрами модулятора являются потери в режиме пропускания и развязка в режиме запирания. Поскольку введение перегородки в канал позволяет улучшить эти характеристики, то очевидно, что предлагаемая конструкция может найти использование и для создания модуляторов и близких к ним по принципу работы переключателей (выключателей). Естественно, что для улучшения характеристик в этом случае целесообразно использовать не диоды с барьером Шоттки, а pin-диоды. Их интегрирование в монолитную схему также не встречает существенных трудностей.

Очевидно, что изменяя полярность управляющего напряжения, можно изменять на 180 градусов фазу выходного сигнала. Таким образом, предлагаемая конструкция может выполнять роль фазового модулятора.

Можно ожидать, что дальнейшее исследование предлагаемой конструкции откроет дополнительные возможности ее использования в мм-диапазоне волн.

Литература
1. P. J. Meier. Integrated finline: the second decade. Microwave J., 1985, v. 28. N 11, Nov., p. 31; N 12, Dec., p. 30.

2. В.Г. Божков, B.A. Геннеберг, К.И. Куркан и др. Монолитные смесители и детекторы коротковолновой части миллиметрового диапазона волн. Электронная промышленность, 1993, N 9, с. 88.

3. В. Г. Божков, В.А. Геннеберг, В.Н. Романовская, Л.И. Федосеев, А.Д. Фригер, А. А. Швецов. Исследование монолитного балансного смесителя 1,5 мм диапазона. Радиотехника и электроника, 1996, т. 41, в. 7, с. 876.

Использование: при создании переключателей (выключателей), модуляторов, фазовращателей и других модулей СВЧ, при создании устройств КВЧ-диапазона с гибридными и монолитными интегральными схемами, выполненными по технологии finline, т. е. размещаемыми в продольном сечении (Е-плоскости) волновода. В СВЧ-модуле отдельные участки (элементы) схем располагаются по разные стороны металлической перегородки, устанавливаемой в поперечном сечении волновода и имеющей отверстие, через которое отдельные участки (элементы) схем соединяются между собой. Техническим результатом изобретения является уменьшение линейных размеров интегральных схем и модулей СВЧ на их основе, выполненных по технологии finline, когда интегральная схема крепится в продольном сечении волновода. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. СВЧ-модуль, содержащий отрезок волновода, интегральную СВЧ-схему, представляющую собой совокупность соединенных между собой металлизацией активных и пассивных элементов, отрезков линий передачи и элементов согласования, расположенную в продольном сечении волновода, отличающийся тем, что отдельные участки схемы разделены между собой металлической перегородкой, установленной в поперечном сечении волновода и имеющей отверстие, через которое соединяются отдельные участки схемы. 2. СВЧ-модуль по п.1, отличающийся тем, что в отверстии перегородки расположен активный или пассивный элемент интегральной СВЧ-схемы, являющийся частью интегральной СВЧ-схемы. 3. СВЧ-модуль по п.1, отличающийся тем, что толщина поперечной перегородки не превышает четверти длины волны в волноводе.