[发明专利]毫米波相控阵T/R组件无源调相芯片

说明书

本发明公开的一种毫米波相控阵T/R组件无源调相芯片，工艺要求低，加工难度小，且性能稳定。本发明通过下述技术方案实现：在半导体介质长边两侧设相向对称微带线，每条微带线的自由端都设有对外射频压点和对内射频压点，每个对外射频压点通过微带线与一个对内射频压点相连，并且微带线的外射频压点按线等距平行排列在半导体介质长边的两侧，每条微带线相位路径提供不同的相位数值。接收状态情况下，T/R组件无源调相芯片从外部电路射频接口接收到外部天线的毫米波信号，通过金丝键合选择合适的相位路径并从芯片射频口输出，发射状态情况下，将经过处理的毫米波信号通过金丝键合选择合适的相位路径并从芯片射频口输出，经由外部天线发射。

技术领域

本发明总体上涉及半导体领域无源器件连接起来构成应用于无源毫米波频段的功能电路，更具体地，涉及一种采用金丝键合更改信号传输相位的毫米波无调相芯片。

技术背景

毫米波为真空波长从0.1～1.0cm的电磁波，其对应的频率范围从30～300GHz。与红外、可见光等频段相比，毫米波具备更好的穿透性，可轻易穿透雪、烟、尘等等，具备极端环境下的全天候工作能力。相比于低频射频频段，毫米波波长更短，可以获得更好的分辨率，其所需的天线尺寸也更小，有利于小型化。随着高速宽带无线通信、汽车辅助驾驶、安检、医学检测等应用领域的快速发展，近年来毫米波在民用领域也得到了广泛的研究和应用。目前，6GHz以下的黄金通信频段，已经很难得到较宽的连续频谱，严重制约了通信产业的发展。毫米波相对于微波频段，毫米波有其自身的特点。相比之下，毫米波兼具了微波和光波两者的综合优点，例如频谱宽、分辨率高、穿透力强、抗干扰能力强、可全天候的工作等等，而且毫米波频段有大量潜在的未被充分利用的频谱资源。首先，毫米波具有更短的工作波长，可以有效减小器件及系统的尺寸；其次，频段宽、传输特性好，毫米波有着丰富的频谱资源，可以胜任未来超高速通信的需求。此外，由于波长短，毫米波用在雷达、成像等方面有着更高的分辨率。对于毫米波雷达而言，有源相控阵天线工作在毫米波频段，是毫米波雷达系统的核心组件。相控阵通过控制天线阵列各个接收通路的相移值，实现了天线波束的电扫描。相比于天线的机械扫描，相控阵摆脱了机械转动部件，在鲁棒性方面有很大提升，同时降低了成本。由于不同接收通路的信号相干叠加，而噪声不相干，具备N个接收通路的相控阵可提高信噪比N倍。对于相控天线阵列而言，相控阵每个天线单元都对应着一个发射或接收通道。这些通道组合起来称为T/R组件。T/R组件是有源相控阵天线的关键部件，很大程度上决定其性能优劣。例如，T/R组件各通道间的幅相一致性则直接影响有源相控阵天线阵面辐射能量的幅相一致性，进而影响有源相控阵天线的角度指向精度以及副瓣等性能。与之相对，射频移相直接在混频器之前的射频信号通路插入移相器，移相器引入的噪声和损耗直接影响信噪比，设计时需对其进行补偿。但本振移相的布局较为复杂，芯片上需要集成多个混频器，同时有射频接收信号和本振信号两个毫米波信号在芯片上传输，时钟布局网络复杂。收发合一的T/R组件包括发射支路、接收支路、射频转换开关、移相器等。每个T/R组件既有发射高功率放大器、滤波器、限幅器，又有低噪声放大器、衰减器、移相器，由此可见，T/R组件具有复杂的电路结构，其一致性问题已成为其关键问题。

目前，解决T/R组件一致性问题的主要办法是对每个通道进行严格地筛选，更换不合格通道的元器件，这种办法会导致T/R组件反复进行器件更换，既增加了成本又导致组件可靠性的下降，还存在在更换器件过程中导致整个T/R组件报废的风险。为实现有源相控阵天线的波束扫描功能，T/R组件各通道本身具备电调移相功能，可以利用此功能解决T/R组件的一致性问题，但这种方法不适合批量化生产的T/R组件，因为不同的T/R组件各通道的相位情况均不相同，意味着不同的T/R组件需要不同的控制程序，这种个体差异化会极大地限制批量化生产。此外，还可以通过增加额外的电调幅相控制芯片对T/R组件通道间的一致性进行提升，但电调幅相控制芯片往往成本较高，且需要额外的供电、控制接口、控制程序，在某些对成本要求较高或T/R组件空间紧张的情况下无法实现。并且频段越高的毫米波雷达芯片，对晶体管的截止频率要求也越高，从而需要更先进的工艺节点，成本也愈加昂贵。频率越高，封装的信号完整性要求越高，封装的成本也越高。

发明内容