微波固态电路第二章

帯 切 角 和 不 带 切 角
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（e）T型结
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（f）交叉结
低阻抗短线
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不连续性都会引入寄生参数，与这类不连续性 有关的电抗可被称为寄生电抗，因为它们不是 人为引起的。这些电抗的引入会对电路性能造 成影响，因此必需要在电路设计中进行考虑。 可以采用全波分析方法进行。
38
§2.4 阻抗变换
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微波单片集成电路材料

微波单片集成电路采用GaAs材料主要有两个原因：
（1）GaAs电子迁移率高，其电子迁移率是硅的6倍，最 大漂移速度大，是硅的2倍，寄生电阻小，所以器件速度 快； （2）GaAs能制成108 · cm高电阻率，适合于做微波无 源元件的衬底。
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无源平面元件
（1）平面电感(螺旋状)

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电路设计和工艺加工的要点




微带线条：微带线边沿电场向两侧延伸，电场延伸距 离大约等于2倍基片厚度。因此为避免线间耦合，微 带线间距离以及微带至外盒边壁距离应保持为基片厚 度的4倍以上。 侧向腐蚀裕量：一般情况下，可把微带线宽加出1～2 倍金属膜厚作为腐蚀裕量。 接地通孔：微带接地是用金属化通孔实现的。 有封装晶体管焊接：管脚引线和微带电路焊接时，必 须焊至管脚靠近管壳的根部。 管芯和梁式引线器件焊接：管芯和梁式引线器件不仅 尺寸极小，而且更容易被损坏。
120
8
微带线
W W 1.25 t 4πW 1 ln h h π h t
W W 1.25 t 2h 1 ln h h π h t
（ h ≤ 2π ） （ h ≥ 2π ）
W 1
W
1
（2.5） （2.6）
W为微带线宽度，h为介质基片厚度，t是微带线金属导体厚度。
4h r 1 W F 0.5 1 2lg 1 0 h
（2.11）
10

微带线特性阻抗与什么有关。
e，h） Z0=f（W，
例：已知有一微带线，其介质基片 e =1，Z0=50欧 姆时其微带线线宽W=10mm，问如果把 e提高到 16，其他参数不变，微带线阻抗如何变化？如果 要把特性阻抗变回50欧姆，该怎么设计微带线？ 意义：利用高介电常数介质基片可以实现电路小 型化。
微带导体 介质基片
接地金属板
接地金属板
接地金属板
（a）同轴线
（b）带线 图2.2 同轴线和微带线
（c）微带线
6
微带线

在准静态法中，传输特性参数是根据下列两个电 容的值计算的。一个是 Ca ，它是对应于单位长度 微带线将其介质材料换为空气而求得的电容；另 一个是C，是对应有介质材料的单位长度微带线 计算出的。 特性阻抗和相位常数可用这两个电容 1 表示，形式如下： Z0 （2.1） c CC
a
k0
式中
C C a
12
k0 e
（2.2）
0 e g
C C a
，c
1
0 0
，k0 0 0 （2.3）
7
微带线
随着频率的升高，电磁场的纵向分量增加，磁场纵向分 量增长比电场纵向分量增长还要快，因此也随频率变化 ， 传播波长和微带特性阻抗都随之而变，这就是色散 现象。一般情况下，频率低于4～5GHz时，色散现象不 严重。不考虑色散的特性阻抗 Z 0的公式为： 0 W W 8h ln 0.25 ≤1 h h 2π e W Z0 （2.4） 1 W 0 W 1.393 0.667 ln W 1.444 ≥1 h h h e 其中， 0
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（4）其他特种元件 空气桥和通孔：实际上它们是用于集成电 路中起着元件互连及接地的功能，本身并 不承担电路元件所应具有的特定功能。然 而，由于在微波频率时它们所引入的寄生 效应会对电路性能产生一定影响，所以设 计MMIC时，亦应将它们视为一元件看待， 例如，空气桥可以视为一段传输线，而通 孔可简化为一段终端短路的短截线。

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加工概要
光刻 1.涂感光胶（甩胶）：在基片金属膜上涂感光胶。 2.曝光：把照相所得版图覆盖于感光胶层上用紫外 灯曝光，得到与微带电路一样的保护胶层。 3.腐蚀：用化学液腐蚀掉无用的金属膜。 接地孔金属化与电镀 用化学淀积法使孔壁金属化 电镀防护：在铜上电镀0.5um厚的金，防止氧化。 元件焊接——无源元件，有源元件
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对微带线金属膜材料的基本要求是：
电导率高（趋肤效应）、稳定不氧化、刻蚀性 好、容易焊接、容易淀积或电镀，对基板附着 力强。 对于MIC来说，最常用的金属材料是铜与金。 典型的导体组合有：铬-金、钛-金、钽-金。对于 MMIC砷化镓基片，常用铬-金、钛-铂-金等。
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微带电路的设计与制作

加工概要 电路设计和工艺加工的要点
I
I
空气桥应用示例
通孔应用示例
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MMIC技术优点

MMIC最适宜的频率范围是分米波的高端及厘米波和毫米 波（包括亚毫米波），它的突出优点是：（1）电路的体 积、重量大大减小，成本低。与现有的微波混合集成电路 （HMIC）比较，体积可缩小90%～99%，成本可降低 80%～90%。（2）便于批量生产，电性能一致性好；制 造MMIC是采用半导体批量加工工艺，一旦设计的产品验 证后就可大批量生产；电路在制造过程中不需要调整。 （3）可用频率范围提高，频带成倍加宽。由于避免了有 源器件管壳封装寄生参量的有害影响，所以电路工作频率 和带宽大大提高。（4）可靠性高，寿命长，MMIC一般 不需要外接元件，清除了内部元件的人工焊接，当集成度 较高时，接点和互连线减少，整机零部件数大量减少，所 以可靠性大大提高（可提高100倍）。
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§2.3 微带电路的不连续性

在微波集成电路中，由于电气性能和结构上的 需要，电路中各种元件之间，以及分布和集总 元件之间总是存在着不连续性。典型的微带不 连续性续性
（a）开路端
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（b）导体间的间隙
耦合线滤波器
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（c）宽度跃变
阻抗变换器
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（d）直角弯
第二章
微波集成电路基础
1
主要内容





微波集成传输线 微波单片集成电路 微带电路的不连续性 阻抗变换 微波无源元件
2
§2.1 微波集成传输线

什么是射频(RF)？RF与微波的关系? 集总参数与分布参数概念。
RF： 集总参数 微波：分布参数
L、C、R 传输线、以传输 线为基础的微波 无源元件

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加工概要
基片处理 1.研磨：粗磨，细磨。 2.抛光：表面光洁度0.5-1um。工作频率越高，光洁 度要求越高。 3.镀膜。 4.金属层减薄（金属层已采用热压工艺把铜膜粘附于 基片上，可省去前三步。） 版图制作 1.图形放大，制成红膜版图，刻图机刻图（尺寸误差 0.1-0.2mm），微带尺寸精度要求0.02mm 2. 照相制版，把放大的红膜版图缩小回原尺寸。
3
微波集成电路（MIC）常用的微波传输线
微带金属膜 电力线 空气 介质基片 金属底片
（a）标准微带 （b）倒置微带 （c）悬置微带
（d）带线
（e）槽线
4
MIC常用的微波传输线
（f）共面波导
（g）鳍线
5
微带线
微带线是微波集成电路中最流行的平面传输线 可理解为由同轴线演变而成 主要传播准TEM模
（2.8）
9
微带线

考虑色散的有效介电常数和特性阻抗的公式为
r e e ( f ) e 1 4 F 1.5
Z0 ( f ) Z0
2
（2.9） （2.10）
2
e ( f ) 1 e e 1 e ( f )

f是工作频率。其中，
13

微带线
下式为准TEM波和最低表面波寄生模之间产生强 耦合时的频率： 150 2 1 fT tan ( r ) （2.12） πh r 1
式中，fT 的单位是GHz，h的单位是mm。
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表2.1 微波集成电路传输线特性
传输线 标准微带线 悬置或倒置带 线 带线 适宜的工作 可用的阻抗 频率 范围（W） （GHz） 1～100 1～150 0.5～40 15～100 20～100 15～100 传输线截面尺 寸 小 小 小 传输线Q值 低 中等 低

不考虑色散的有效介电常数的公式为
e r 1 r 1 W r 1 t h
2 2 F h 4.6 W h
W ≤1 h W ≥1 h
（2.7）

其中
1 2 2 h W 1 12 0.04 1 W h W F 1 2 h h 1 12 W
A W I S A
方形电感量比圆形大 20%，但Q值低于圆形。 圆形加工难度大。
（a）方形
I
I
（c）圆形
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（b）六边形
（2）平面电容
W I
L I d
GaAs
（a）叉指式
（b）平板叠层式
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（3）电阻

一般采用两种形式，即半导体电阻和薄膜电阻。 两者工艺差别很大，半导体电阻是利用在离子注 入沟道有源层时形成的n+或n-层，然后光刻出电 阻的平面尺寸，通过腐蚀材料的厚度把阻值调到 所需值。 薄膜电阻一般采用淀积NiCr（铬化镍）薄膜，然 后光刻成要求的图形。一般认为薄膜电阻具有较 高的精度和热稳定性，所以被广泛地采用。 在设计过程中应该考虑到趋肤效应，电阻值是频 率的函数，特别是当工作频率比较高时这种影响 是不可忽视的。