亚毫米波183 GHz和366 GHz MMIC膜次谐波混频器外文翻译资料

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亚毫米波183 GHz和366 GHz MMIC膜次谐波混频器

Tomasz Waliwander1, Michael Crowley1, Martin Fehilly1, Dimitri Lederer3, John Pike2, Liam Floyd2, Dan Orsquo;Connell2

1Farran Technology, Cork, Ireland, 2Tyndall National Institute, Cork, Ireland, 3Universiteacute; Catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve, Belgium

摘要 ：本文讨论了频率183 GHz和366 GHz次谐波混频器的设计、制作和测试。

两种混频器都是采用平面肖特基二极管单片集成RF/LO的混频器电路和3.7mu;m厚GaAs膜上的中频匹配滤波网络。混频器的设计和制造使用了商业铸造晶圆后处理的新方法。在室温下，183 GHz次谐波混频器产生双边带变频损耗和噪声温度分别为4.9 dB和608 K。测量366GHz的混频器双边带变频损耗和的噪声温度分别为6.9 dB和1220 K。在之前发表过次谐波MMIC膜混频器中，作者所完成的混频器性能比较优良。

关键词 ：平面肖特基二极管，次谐波混频器，亚毫米波混频器，亚毫米波膜混频器，亚毫米波接收器

一 介绍

随着对小型化、可靠、高性能的外差接收的需求日益增长，用于毫米和亚毫米波的应用，如机载和空间微波探测，以及地面辐射测量成像和安全扫描等应用程序，也需要更多的外差接收机。由于成本、性能和重复性等原因，这类应用需要宽带固态集成的次谐波混频器在室温下具有高灵敏度。在这种情况下，我们在这里介绍一个183 GHz（SPM-05）和一个366 GHz（SPM-2.8）次谐波混频器。混频器的设计和制造采用了商业上可用的UMS BES肖特基二极管铸造工艺和Tyndall国家研究所开发的特定后处理技术。该混频器有优良的性能，并提供宽的瞬时带宽，适用于大多数亚毫米波辐射感测和发射接收应用的需要。

二 设计

混频器是在Farran技术公司设计、组装和测试的，射频和本振的波导微带过渡都是使用的E面探针结构。类似于[1]中所描述的波导。RF和LO波导都垂直于容纳MMIC膜基片的电路通道。该混合器基板利用梁引线进行机械支撑，射频直流接地。肖特基二极管采用的是反并联的方式，确保次谐波混频器具有良好的性能（例如，降低所需的LO频率和更高的LO-RF隔离[2]，[3]）。

晶圆和计算的二极管参数（由推断使用的代工厂用户手册参数）设计如表1所示：

表一晶圆和二极管参数：

为了获得最佳精度，利用HFSS建立三维电磁模型，再结合ADS谐波平衡和线性分析。这种典型CAD技术在[4]-[6]中有详细描述因此这里不讨论。在ADS中实现的非线性肖特基二极管模型也采用经典方程，在现有文献中有很好的描述。

2.1 SPM-05 183 GHz次谐波混频器设计

混频器是一个直线设计，其中直流和如果接地是由一个狭窄的存根连接到一个梁引线。反向并联的肖特基二极管对在通道的轴线上。通过在阳极周围刻蚀GaAs膜，实现了寄生电容的降低。完整的SPM-05混合器型号及其在定位中的定位波导和通道腔如图1所示

图1 SPM-05 183 GHz亚谐波混频器的底层原理图

混频器的 RF使用全高波导WR-5， LO使用减高波导WR-10从而减少膜长度。电气接地是通过将膜悬挂在顶部和底部金属块之间，并将它们压在一起来实现的，从而关闭波导和通道道腔。当射频频率为183 GHz，本振功率为5 mW时，利用谐波平衡的方法分析最佳噪声温度和变频损耗之间的性能，得到了RF、LO及IF的最佳阻抗，分别为Z_RF=28-j28 Omega;，Z_LO=53 j50 Omega;和Z_IF=100 Omega;。在此基础上，利用HFSS合成了所有匹配网络，包括所有的介电损耗和导电损耗。电磁和HB合成提供了一个具有双边带( DSB)的混频器噪声温度NT=473 K，当中频频率为4 GHz时，变频损耗CL=4.8dB。

2.2 SPM-2.8 366 GHz次谐波混频器设计

固定频率366 GHz的次谐波混频器的电路也是在3.7 um厚的GaAs薄膜上，采用了带状线结构。由于通道简单，输入RF（WR-2.8）和LO（WR-5）波导都是全高波导。该电路采用创新的拓扑结构设，中频滤波器集成在膜上并垂直于混频器的RF-LO部分。这种安排利用了GaAs膜技术的灵活性，不仅减少了电路的总长度，还减少了电路的总长度，显著改善其机械坚固性，从而减少装配流程。肖特基二极管创新的使用了反向并联的方式，与其他次谐波混频器不同，如设计[4][6]和[8][13]，它们被定位为隔膜和电路上通道。

这种结构不仅使得所有频率的永久接地，而且通过精心设计，两个二极管可以通过调整相对位置来实现完美的平衡(如图4所示)。。这个特点对于频率为400 GHz及更高频率的高灵敏度次谐波混频器，该设计特别有用。该完整的SPM-2.8混合器型号如图2所示：

图2 SPM-2.8次谐波混频器的原理图底部块视图

混频器设计也利用GaAs蚀刻阳极，并着重讨论了最低噪声温度和最小变频损耗之间的平衡。当射频频率为366 GHz，本振功率为7HB时，分析得出RF、LO及IF的最佳阻抗， Z_RF=55- j55Omega;，Z_LO = 20 j19Omega;和Z_IF = 50Omega;。混频器实现全匹配时，包括导电和介电损耗，DSB噪声温度NT = 775 K，变频损耗室温下CL = 6.6dB。

三 制造

亚毫米波混频器的电路通常使用平面二极管芯片，连接在薄(~100mu;m)石英衬底上。如果二极管可以单片集成的话，在制造和性能方面有明显的优势。然而，由于半导体衬底的存在，衬底必须细化到寄生电效应可以忽略不计或可控的程度。 由于介电损耗高，因此必须使用高介电损耗来制作二极管。在这项工作中，这是通过将半导体衬底细化到3.7微米的厚度来完成的。

使用肖特基膜来制造混频器是Tyndall国家研究所开发的一种后处理技术，部分加工晶圆用（UMS）BES-MMIC工艺处理。在基片变薄之前，采用后处理方法制作了光束引线、探针和传输线形成GaAs膜。UMS肖特基二极管采用注入隔离阳极结，这使得在工作频率下，周围的高介电材料(GaAs)不能连接到阳极。在后处理过程中，GaAs被从UMS结构周围移除，有效地使空气桥接连接到阳极。

图3.183 GHz混频器膜的成像及阳极连接的二极管细节

Etched window through membrane

图4.366GHz混频器膜的图像，内置二极管细节，显示空桥阳极连接。

Anode finger

Beamlead

GaAs Membrane

首先对薄膜基片进行定义和刻蚀，接着在种子金属前对光束进行刻蚀，然后沉积RF探针，最后将其镀至所需厚度。晶片随后被磨薄了，将背面放置到掩埋的蚀刻停止层，以释放膜混频器。制作的混频器膜电路的图像如图3和图4所示。

四 结果

为了驱动183 GHz的次谐波混频器，采用了回波振荡器(BWO)，而采用带功率放大器和固定调谐倍频器的级联BWO来为366 GHz设备提供LO信号。用HPW8486A传感器(WR-10)和PM2Erickson功率计(WR-5)校准了LO电源的功率电平。为了测量混频器的噪声温度和变频损耗，采用了标准Y因子。该方法依赖于交替呈现室温和在液氮温度（~77K）下冷却的黑体。系统中还使用了中频放大器，在以4 GHz为中心的500 MHz带宽范围内贡献了2dB的噪声系数。输出信号用HP 8481 D功率传感器测量。
4.1. 183 GHz次谐波混频器的性能
183 GHz次谐波混频器的模拟和测量性能如图5所示：

图5对183 GHz亚谐波混频器SPM-05的DSB性能进行了仿真和测量.

在180 GHz时，本振功率为4 mW（计算时使用5 mW），混频器产生最小的DSB变频损耗为4.9 dB（在183 GHz仿真为4.1 dB）和噪声温度为608 K（在183 GHz仿真时为565 K）。在170~192 GHz频段，混频器提供NTlt;900 K和CLlt;6dB，测量结果与模拟结果非常吻合。

4.2 366 GHz次谐波混频器的性能

模拟和测量的双边带转换混合器的损耗和噪声温度特性如图6所示。

图6 366GHz次谐波混频器SPM-2.8的模拟和测量性能

该混频器性能最好，在364 GHz，LO功率为7.5mW，DSB损耗为6.9 dB，噪声温度为1220 K。在RF为356-380 GHz范围内， CLlt;8.3dB，NTlt;1560 K，测量的带宽受本振功率的限制；混频器在320-385GHz的范围内表现良好，DSB CLlt;9.5dB，NTlt;2000 K。

4.3 结果比较

表2列出了基于平面肖特基二极管波混频器设计的DSB变频损耗和噪声温度的最佳公布结果：

表 II 183和366 GHz次谐波混频器的现状