[发明专利]基于平面耿氏二极管的ka波段单片集成压控振荡器

说明书

技术领域

本发明属于微电子中微波集成电路技术领域，具体涉及一种基于平面耿氏二极管的ka波段单片集成压控振荡器。

背景技术

耿氏二极管也称转移电子器件，当外加偏置电压大于其阈值电压时，其具有负微分电阻特性，该负微分电阻可以抵消真实存在的正电阻，形成零电阻电路，获得无穷振荡，产生输出射频/微波信号。以耿氏二极管为非线性元件的振荡器工作原理简单、设计思路简洁，通常在各类接收机中作为混频器的本振源，在雷达和通信系统中作为各种微波模块中的中小功率信号源。由于材料和器件结构的限制，基于耿氏二极管的振荡器输出频率上限为100GHz(GaAs)到300GHz(InP)。

通常情况下，传统的耿氏二极管，在N-型层上采用均匀掺杂，且主要采用垂直结构，无法与外围电路元件集成，且正负偏置电压下的耿氏二极管电流具有对称性。以传统耿氏二极管为核心的振荡电路，基于腔体波导封装技术利用波导机械调谐实现输出振荡信号频率和功率的调节，不仅电路腔体封装工艺复杂、制作成本高、体积大，而且不利于与系统其它电路实现单片集成，导致系统中需要大量的器件载体、外接偏置电路和金属波导等体积较大的组件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于平面耿氏二极管的ka波段单片集成压控振荡器，在传统耿氏二极管的顶层阳极高掺杂层下插入了一层线性梯度掺杂本征势垒层，引入热电子注入效应，减小耿氏二极管的负向电流；利用外加偏置电压改变其平面耿氏二极管的负微分电阻和电容特性，实现射频输出信号频率的调谐，利用热电子注入效应增强压控振荡器直流-射频的转换效率,增加振荡器性能优异性。

实现本发明目的的关键技术难点在于:大于平面耿氏二极管阈值电压下的器件直流电流较大，耿氏二极管的自热效应显著，如何增强耿氏二极管的热导耗散尤为重要；确定负微分电阻状态下的耿氏二极管等效负电阻和等效寄生电容C，设计与寄生电容C相适应的电抗性谐振器，是整个Ka波段压控振荡电路的核心；如何有效提高压控振荡器的射频信号输出功率、实现射频输出信号频率和功率的调谐？利用单片微波集成电路工艺，如何实现与热电子注入效应平面耿氏二极管制备工艺兼容的输入低通滤波器、输出耦合电容和耦合器结构，以及各元件之间的相互连接？

本发明的技术方案如下:

基于平面耿氏二极管的ka波段单片集成压控振荡器，包括依次连接的直流偏置电压输入单元单元、输入低通滤波器、输出插指耦合电容、具有热电子注入效应的平面耿氏二极管和谐振器。

所述直流偏置电压输入单元采用共面波导的中间导体馈入，其中间导体金属接电源电压，共面波导两侧导体金属接电源地。中间导体通过微带线与输入低通滤波器相连。

所述输入低通滤波由两节共面波导结构的滤波单元串联构成。输入低通滤波器为具有热电子注入效应的平面耿氏二极管提供直流通路，同时在直流通路中抑制耿氏二极管振荡产生的输出射频信号传输，增强输出射频信号的输出功率。

所述输出插指耦合电容下端金属臂与射频输出端口相连，其中上端金属臂有4插指微带线，下端金属臂有5插指微带线。

所述具有热电子注入效应的平面耿氏二极管在顶层阳极高掺杂层下插入一层50纳米Al_xGa_1-xAs的线性梯度掺杂本征势垒层，平面耿氏二极管的顶层阳极为双端口，其中一端与外加偏置电压相连，另一端与谐振器相连，平面耿氏二极管的底层阴极与共面波导传输线两侧金属地相连，在共面波导传输线中央微带线与两端地之间形成耿氏二极管的直流电压偏置通路。

所述谐振器由二分之一波长共面波导传输线与中央水平线上下对称分布的两并联矩形折线绕线电感级联构成。

直流偏置电压从直流偏置电压输入单元的中间导体馈入，通过输入低通滤波器的中央微带线和输出插指耦合电容的上端金属臂与具有热电子注入效应的耿氏二极管的顶层阳极一端连接馈入。

进一步，所述直流偏置电压输入单元的中间导体为50欧特征阻抗的共面波导传输线，微带宽度为48μm，长度为40μm，中间导体与两侧导体地的缝隙宽度为35μm。

进一步，所述微带线宽度48μm，竖直长度65μm。