[发明专利]一种右手非线性传输线微波倍频电路及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及微电子中微波电路技术领域，尤其涉及一种基于平面肖特基二极管的右手非线性传输线微波倍频电路及其制作方法。

背景技术

随着系统工作频率向微波和毫米波段延伸，要求频率越来越高，但是由于受器件、输出功率等因素的影响，在微波频段上常常缺乏稳定、有效的信号源，这就要求将频率较低、输出功率较大和频率稳定度高的低频信号源通过非线性器件，如变容二极管、高电子迁移率晶体管、异质结双极性晶体管等来实现倍频。高频倍频器广泛应用于微波信号源的产生，微波倍频器能对低频段的稳态信号源进行频率倍增，产生低相位噪声的微波信号。肖特基二极管具有快速的电容开关特性，肖特基结电容随外加偏置电压非线性变化，因寄生串联电阻小，具有极高的截止频率，常作为基本的非线性元件用在微波、毫米波或亚毫米波倍频器中。

通常基于二极管的倍频器使用单个二极管阵列，展现出感性的输入阻抗，使得工作频率变窄，另外单二极管倍频器组态结构不利于获得高的转换效率。一种全分布式周期加载组态的右手非线性传输线也可用来实现频率倍增，相应右手非线性传输线的平均输入阻抗变成了电阻特性，因此利用该结构的右手非线性传输线可以获得较高的转换效率。周期加载的右手非线性传输线具有低通滤波器的特性(具有Bragg截止频率)，可以用来滤除高次谐波、增加低次谐波的转换效率。右手非线性传输线的这些特性在倍频电路中非常重要。如果Bragg截止频率高于输入信号的频率，我们可以利用右手非线性传输线中二极管的变容特性产生低相位噪声的高频信号源。

通常情况下，基于肖特基二极管的倍频电路，设计上使用微带线传输线结构，制作上采用混合电路制作工艺。该结构电路存在以下固定缺陷：需采用过孔和背金工艺；分别将肖特基二极管倒扣或表贴在高频基板上；需要为肖特基二极管提供偏置电路；谐波随肖特基二极管外加偏置电压影响较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种右手非线性传输线微波倍频电路，优化了电路结构，简化了外围偏置电路，以改善倍频电路的谐波输出功率，增加谐波转化效率，改善窄频带谐波输出特性，增强谐波输出纯度。

本发明的另一目的在于提供一种右手非线性传输线微波倍频电路的制作方法，简化电路制作工艺。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种右手非线性传输线微波倍频电路，所述倍频电路由23节右手非线性传输线单元串联构成，每节右手非线性传输线单元由并联的肖特基二极管和串联的两段相同传输线组成。

上述方案中，所述每节右手非线性传输线单元中肖特基二极管的电容对外加偏置电压的关系为：C＝250fF/(1-V/0.65)^0.35，电流对外加偏置电压的关系为：I＝31.97fA×(e^{(V-I×3.18)/(0.0258×1.0431)}-1)。

上述方案中，所述每节右手非线性传输线单元中串联的两段传输线采用共面波导传输线组态，制作在350微米的砷化镓衬底上。

上述方案中，所述传输线的几何尺寸为：中间信号线宽20微米，中间信号线距信号线两边共面地的间距为89微米，中间两段信号线共长560微米。

上述方案中，所述每节右手非线性传输线单元中肖特基二极管阳极与共面地相连，阴极与中央共面波导传输线的信号线相连，肖特基二极管通过共面波导传输线中央信号线和共面地构成偏置电路。

一种右手非线性传输线微波倍频电路的制作方法，包括如下步骤：

A、在半绝缘的砷化镓(GaAs)衬底上外延生长N⁺层；

B、在N⁺层上外延生长N^-有源层；

C、采用湿法腐蚀刻蚀N^-层，在N⁺层上形成台面结构

D、在N⁺层上蒸发金属形成肖特基二极管的下电极；

E、采用低温合金方法，在N⁺层形成欧姆接触；

F、在N^-层上蒸发金属形成肖特基接触的上电极；

G、采用湿法腐蚀刻蚀N⁺层，形成器件之间的电学隔离；

H、在外延片上沉积一层Si₃N₄，采用干法刻蚀在Si₃N₄表面刻孔，打开电极引线窗口；

I、电镀形成布线金属。