[發明專利]基于平面耿氏二極管的ka波段單片集成壓控振蕩器

在審

• 申請號: 201611046399.2
• 申請日: 2016-11-23
• 公開（公告）號: CN106788257A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 黃杰;顧雯雯;趙倩
• 申請（專利權）人: 西南大學
• 主分類號: H03B5/04
• 分類號: H03B5/04;H03B5/18;H01L47/02
• 代理公司: 重慶華科專利事務所50123
• 代理人: 康海燕

技術領域

本發明屬于微電子中微波集成電路技術領域，具體涉及一種基于平面耿氏二極管的ka波段單片集成壓控振蕩器。

背景技術

耿氏二極管也稱轉移電子器件，當外加偏置電壓大于其閾值電壓時，其具有負微分電阻特性，該負微分電阻可以抵消真實存在的正電阻，形成零電阻電路，獲得無窮振蕩，產生輸出射頻/微波信號。以耿氏二極管為非線性元件的振蕩器工作原理簡單、設計思路簡潔，通常在各類接收機中作為混頻器的本振源，在雷達和通信系統中作為各種微波模塊中的中小功率信號源。由于材料和器件結構的限制，基于耿氏二極管的振蕩器輸出頻率上限為100GHz(GaAs)到300GHz(InP)。

通常情況下，傳統的耿氏二極管，在N-型層上采用均勻摻雜，且主要采用垂直結構，無法與外圍電路元件集成，且正負偏置電壓下的耿氏二極管電流具有對稱性。以傳統耿氏二極管為核心的振蕩電路，基于腔體波導封裝技術利用波導機械調諧實現輸出振蕩信號頻率和功率的調節，不僅電路腔體封裝工藝復雜、制作成本高、體積大，而且不利于與系統其它電路實現單片集成，導致系統中需要大量的器件載體、外接偏置電路和金屬波導等體積較大的組件。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于平面耿氏二極管的ka波段單片集成壓控振蕩器，在傳統耿氏二極管的頂層陽極高摻雜層下插入了一層線性梯度摻雜本征勢壘層，引入熱電子注入效應，減小耿氏二極管的負向電流；利用外加偏置電壓改變其平面耿氏二極管的負微分電阻和電容特性，實現射頻輸出信號頻率的調諧，利用熱電子注入效應增強壓控振蕩器直流-射頻的轉換效率,增加振蕩器性能優異性。

實現本發明目的的關鍵技術難點在于:大于平面耿氏二極管閾值電壓下的器件直流電流較大，耿氏二極管的自熱效應顯著，如何增強耿氏二極管的熱導耗散尤為重要；確定負微分電阻狀態下的耿氏二極管等效負電阻和等效寄生電容C，設計與寄生電容C相適應的電抗性諧振器，是整個Ka波段壓控振蕩電路的核心；如何有效提高壓控振蕩器的射頻信號輸出功率、實現射頻輸出信號頻率和功率的調諧？利用單片微波集成電路工藝，如何實現與熱電子注入效應平面耿氏二極管制備工藝兼容的輸入低通濾波器、輸出耦合電容和耦合器結構，以及各元件之間的相互連接？

本發明的技術方案如下:

基于平面耿氏二極管的ka波段單片集成壓控振蕩器，包括依次連接的直流偏置電壓輸入單元單元、輸入低通濾波器、輸出插指耦合電容、具有熱電子注入效應的平面耿氏二極管和諧振器。

所述直流偏置電壓輸入單元采用共面波導的中間導體饋入，其中間導體金屬接電源電壓，共面波導兩側導體金屬接電源地。中間導體通過微帶線與輸入低通濾波器相連。

所述輸入低通濾波由兩節共面波導結構的濾波單元串聯構成。輸入低通濾波器為具有熱電子注入效應的平面耿氏二極管提供直流通路，同時在直流通路中抑制耿氏二極管振蕩產生的輸出射頻信號傳輸，增強輸出射頻信號的輸出功率。

所述輸出插指耦合電容下端金屬臂與射頻輸出端口相連，其中上端金屬臂有4插指微帶線，下端金屬臂有5插指微帶線。

所述具有熱電子注入效應的平面耿氏二極管在頂層陽極高摻雜層下插入一層50納米Al_xGa_1-xAs的線性梯度摻雜本征勢壘層，平面耿氏二極管的頂層陽極為雙端口，其中一端與外加偏置電壓相連，另一端與諧振器相連，平面耿氏二極管的底層陰極與共面波導傳輸線兩側金屬地相連，在共面波導傳輸線中央微帶線與兩端地之間形成耿氏二極管的直流電壓偏置通路。

所述諧振器由二分之一波長共面波導傳輸線與中央水平線上下對稱分布的兩并聯矩形折線繞線電感級聯構成。

直流偏置電壓從直流偏置電壓輸入單元的中間導體饋入，通過輸入低通濾波器的中央微帶線和輸出插指耦合電容的上端金屬臂與具有熱電子注入效應的耿氏二極管的頂層陽極一端連接饋入。

進一步，所述直流偏置電壓輸入單元的中間導體為50歐特征阻抗的共面波導傳輸線，微帶寬度為48μm，長度為40μm，中間導體與兩側導體地的縫隙寬度為35μm。

進一步，所述微帶線寬度48μm，豎直長度65μm。