GaN基HEMT MMIC关键技术的研究——微波功率放大器的分析与设计

西安电子科技大学

硕士学位论文

GaN基HEMT MMIC关键技术的研究——微波功率放大器的分析与

设计

姓名：林锡贵

申请学位级别：硕士

专业：微电子学与固体电子学

指导教师：郝跃

20060101

第二二章有源器什和无源器什

传输线。它可用光刻程序制作，且容易与其它无源微波电路和有源微波器件集成，实现微波部件和系统的集成化。微带线是在金属化厚度为ｈ的介质基片的一面制作宽度为ｗ，厚度为ｔ的导体带，另一面作接地金属平板而构成的。如图２—２（ａ）所示，图２—２（ｂ）表示其场结构。

由于导体带上面是空气，导体带下面是介质基片，所以大部分场都分布在介质基片内，且集中在导体带与接地板之间。微带线中传播的是准ＴＥＭ模，引入有效介电常数为ｓ，的均匀介质代替微带线的混合介质。

巨媾藤越剿ｉｉ（ａ）慑两残端碉伪）减币簸助辐稠

幽２．２微带线

对于零厚度导体带的微带线的特征阻抗和有效介电常数计算公式如下：

绷㈦时，Ｚｏ２詈ｌｎ（和２５鲁）（２－１）

铲孚＋孚昭＋警一”＋ｏ㈣”翱ｃｚ—ｚ，翔他＞ｌ吼ｚ。２警＋丽丽丽而赢丽丽（２＿３）

铲竽＋字（－＋移…２（２＿ａ）在Ｏ．０５＜ｗ／ｈ＜２０，ｓ，＜ｉ６的范围内，上式的精度优于ｌ％。

对于导体带厚度ｔ不为Ｏ的可等效为导体带宽度加宽为、Ｋ，修币公式为（ｔ＜ｈ，

ｔ＜Ｗ／２）

当∥凰圭时，肇：要＋圭（１＋ｌｎ华）（２—５）２７ｒ矗矗砌、ｆ’

当矿／向≥三时，肇：孚＋÷（１＋ｌｎ丝）（２—６）２万＾＾砌、ｆ’

微带线电路的设计通常是给定Ｚ。和ｓ，，要求计算出导体带宽度Ｗ，计算公式如下：

当㈨≤２时，鲁＝是（２－７）

当矿／向≥２时，要：三【Ｂ一１一ｌｎ（２口一１）＋三￡旦（１ｎ（曰一１）＋ｏ．３９一旦里）】（２—８）

ｎ靠ｚ￡．￡

第一二章有源器什和无源器｛，Ｉ：

件方便及电路密度高等优点。同时它具有椭圆极化磁场，利用这个特点可以制造非互易器件。

幽２—５共面波导ＣＰｗ

共面波导的特征阻抗和有效介电常数的计算公式如下：

ｚ。：警黑（２＿９）

钿一万丽忆叫’乞＝竽伸例ｎ唔“７轴警叫吨７Ⅲ删＿０１‘）（０２５峋］）（２枷）其中Ｋｔ（≈）：Ｋ（七一），七ｔ：√Ｆ可，七：ｓ／（ｓ＋２∥）

当Ｏ≤足ｓ０．７，当Ｏ．７≤≈≤ｌ器＝ｅ扣篇，，

Ｋ’（ｔ）‘万。１一√女’～

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Ｋ‘（尼）。万、ｌ一√七７。

（２一¨）

（２—１２）

在ｓ，≥９，＾／∥≥ｌ和Ｏ≤￡墨Ｏ．７的范围内，上砥的公式的精度优于１．５％。

由于共面波导大多数的电路中会有多根传输线出现，而接地面与中心线在同一侧，为了使所有的接地面等电位，必须采用空气桥工艺，这是它的一个缺点，

另外它占基片的面积也比较大。

§２．２．２电感

电感器一般有：直线电感、折线电感、单环电感和螺旋电感等。在射频／微波ＩＣ中，一般都采用方形螺旋电感。

方形螺旋电感可以提供大电感（电感值在１ｎＨ以上）。为了提高电感的Ｑ值，一

般把螺旋电感中最里面的一个或几个匝圈去掉。

８ＧａＮ基ＨＥＭＴＭＭＩＣ关键技术的研究一一微波功率放人器的分析与设计方形螺旋电感的计算公式㈣：

￡。型竺！生：

（２一１３）

２２ｒ—１４ｄ

ｎ是电感的圈数，２ｒ是电感的最大直径，ａ是电感的平均半径，心ｚ４厅＋１０。

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幽２—６中空的螺旋电感

螺旋电感的缺点是：①分御寄生电容随着微波器件微型化和频率不断提高而越显突出：②占用基片面积大；③损耗大：④必须使用空气桥工艺。

～殷在ＭＭＩｃ设计中，设计者都会尽可能避免使用过多的电感。

§２．２．３电容

ＭＭＩＣ常用的电容结构…如图２．７所示。由于微带断面隙缝的电容值很小，难于超过Ｏ．０５ｐＦ，一般不作电容使用。交叉指电容利用叉指条ｌ’日Ｊ耦合电场构成电容，

电容量稍大。但是由于耦合长度不能太大，所以其电容量也只能做到ｌｐＦ以下，Ｑ值可以做到１００左右。若需要更大容量（卜ｌｏｏｐＦ）时，可采用叠层电容，又称ＭＩＭ电容。ＭＩＭ电容绝缘层介质用ｓｉ３Ｎ４（氮化硅）、ｓｉ０２（二氧化硅）等。

图２—７删Ｉｃ电容

ＭＩＭ电容的主要问题是难于保证电容量制造的准确性和重复性。（一个设计好的电容器，其纵向长度和横截面积的尺寸均应远远小于介质膜中传播的波长。）对于ＭＩＭ电容，如图２—８所示

第二章有源器件和无源器件９

图２—８ＭＩＭ电容

设金属表面积为Ａ，介质厚度为ｄ，介质的相对介电常数为ｓ．，则这电容的电容量为：ｃｚｏ．０８８５占，尝单位：ｐＦ（２—１４）

ｄ

Ｑ值：吉＝壶＋壶其中绋是由导体损耗引起的Ｑ值，奶＝古是介质

的Ｑ值，留Ｊ是介质的损耗角『Ｆ切

§２．２．４电阻

ＭＭＩＣ的电阻作为耦合器、功率合成器和分配器等元件的终端电阻，也有用于偏置网络、衰减器和ＲＣ滤波器的电阻。

ＭＭＩｃ中的电阻有薄膜电阻和体电阻两类。在选择类型和进行设计时还应考虑允许的电流密度、功率、温度系数以及可靠性等因素。

薄膜电阻材料一般为Ｔｉ、ＮｉＣｒ、Ｔａ：Ｎ、ＣｒＳｉＯ等。Ｔａ：Ｎ（氮化钽）薄膜是在氮气中溅射余属钽形成的，电阻率适中，温度系数为负。另一种常用的结构是ｃｒｓｉＯ（铬一氧化硅）薄膜，用蒸发法或者高频溅射法制作，它是会属陶瓷结构，调整材料的配比就能锼电阻率在很大范围内改变，以适用不同电阻值要求，这是最大的优点。

§２．３本章小节

本章首先介绍了ＧａＮ材料的特点，介绍了有源器件一ＡｌＧａＮ／ＧａｎＨＥＭＴ的一般制作工艺流程：材料生长、台面刻饰、漏源欧姆接触、栅极肖特基接触。然后介绍了无源器件…徼带线、共面波导、电感、电容、电阻的结构和特点。由于微带线制作简单、易于集成等特点，本文的设计将采用微带线实现匹配网络，本章对其进行比较详细的介绍，给出了在不同情况下微带线的特征阻抗ｚｏ公式。