Однокристальный приемный модуль со встроенной антенной на диапазоне частот 66-67 ГГц для систем сотовой связи 5G

ISSN 0868-5886

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2018, том 28, № 4, с. 23-29 РАБОТЫ С КОНФЕРЕНЦИИ -

УДК 621.3.049.774

© Д. В. Крапухин, Д. Л. Гнатюк, А. В. Зуев, П. П. Мальцев, О. С. Матвеенко, Ю. В. Федоров

ОДНОКРИСТАЛЬНЫЙ ПРИЕМНЫЙ МОДУЛЬ СО ВСТРОЕННОЙ АНТЕННОЙ НА ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ 66-67 ГГЦ ДЛЯ СИСТЕМ

СОТОВОЙ СВЯЗИ 5G

Работа посвящена разработке и исследованиям однокристального приемного модуля со встроенной антенной, построенного по НЕМТ-технологии на основе наногетероструктур GaN на подложках сапфира. Модуль предназначен для работы в диапазоне 66-67 ГГц и может быть использован для систем сотовой связи 5G. Измерения изготовленных образцов показали его работоспособность в диапазоне 66-67 ГГц и достижение выходной мощности в передающем тракте более 10 дБм, а диапазона перестройки гетеродина — более 2 ГГц.

Кл. сл.: нитрид галлия, НЕМТ, приемный модуль, приемопередающий модуль, система-на-кристалле, генератор, МШУ, антенна

ВВЕДЕНИЕ

Для создания сетей сотовой связи 50 существует несколько частотных поддиапазонов, в том числе 66-71 ГГц. Одной из задач при освоении этого диапазона является разработка монолитных интегральных схем (МИС) для приемных и передающих устройств и освоение их производства в России. К одному из перспективных направлений создания нового поколения МИС относится технология нитрида галлия на подложках сапфира, обеспечивающая минимальные массогабаритные размеры при максимальной мощности выходных усилителей (УМ) и генераторов, управляемых напряжением (ГУН) для гетеродинных радиоприемников. Нитрид галлия — широкозонный полупроводник, позволяющий создавать усилительные каскады с более высокой выходной мощностью по сравнению с арсенидом галлия, поэтому он наиболее востребован в усилителях мощности, также обладает более высокими пробивными напряжениями, большей стойкостью к внешним воздействиям — температуре, ионизирующему излучению.

В данной работе рассматривается возможность проектирования и изготовления однокристальных приемных устройств на частоты 66-67 ГГц с промежуточной частотой от 0.1 до 2.0 ГГц на основе ГУН и смесителя с встроенной интегральной антенной. Однокристальный модуль построен в результате исследования ГУН и смесителя для диапазона частот 57-63 ГГц. Также в ИСВЧПЭ РАН

ведутся работы по освоению технологии проектирования и производства МИС на основе гетеро-структур нитрида галлия для других приемопередающих систем [1-2].

Ширина доступной полосы и отсутствие интерференции между различными источниками сигнала в данном диапазоне делают его привлекательным для применения в высокоскоростной сверхширокополосной передаче данных, в системах межспутниковой и ближней связи. В миллиметровом диапазоне длина волны около 5 мм и соответственно размеры излучателя становятся столь малыми, что целесообразно интегрировать его непосредственно на кристалл. Интеграция антенн на один кристалл с активными элементами позволяет обеспечить низкий уровень потерь между элементами системы, низкий уровень шумов и большую передаваемую мощность, снижает производственные и материальные издержки по сравнению с реализацией в виде микросборки

[3].

РАЗРАБОТКА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ МИС

Структурная схема разработанного приемопередающего модуля (ППМ) изображена на рис. 1. Данная "система-на-кристалле" состоит из ГУНа со встроенным буферным усилителем, который выполняет роль источника сигнала диапазона 66-67 ГГц при формировании сигнала на передающую антенну, а также роль гетеродина.

Рис.1. Блок-схема МИС ППМ диапазона 66-67 ГГц

В смесителе происходит преобразование сигнала гетеродина и усиленного на малошумящем усилителе (МШУ) сигнала с приемной антенны в сигнал промежуточной частоты.

Однокристальный модуль проектировался по микрополосковой технологии. Если в схемах на арсениде галлия использование микрополосков не является проблемой, т. к. пластины легко утоняются и хорошо химически травятся, то в схемах на нитриде галлия на подложке сапфира создание заземляющей плоскости связано с серьезными технологическими трудностями. Было предложено конструкторско-технологическое решение этой

проблемы, заключающееся в размещении земляной плоскости не на обратной стороне пластины, а на лицевой поверх активной части МИС через слой фотолака (разработка ИВС РАН). Такое решение изображено на рис. 2, также показаны сквозные отверстия, через которые будет осуществляться заземление истоков транзисторов и конденсаторов, что обеспечивает общий электрический контакт одного общего электрода [4-5]. Использование заземляющей плоскости поверх слоя фотолака позволило создать МИС по микрополос-ковой технологии и обеспечить стабильность в рабочем диапазоне частот.

Рис. 2. Поперечное сечение пластины с фотолаком

Рис. 3. Принципиальная схема МШУ

МИС были изготовлены на гетероструктурах АЮаМGaN на подложках сапфира толщиной 350 мкм. На данных структурах были изготовлены транзисторы 2 х 50 мкм и 2 х 100 мкм с длиной затвора 140 нм. Измерения транзисторов показали, что значения предельной частоты усиления по току составили около 70 ГГц, а предельной частоты генерации ^тах) — около 150 ГГц без процедуры исключения паразитного влияния контактных площадок (деэмбеддинга).

На начальном этапе были созданы модели транзисторов, построенные на основе измерений S -пар аметров, вольт- амперных хар актеристик и измерений коэффициента шума. После этого по построенным моделям транзисторов проектировались составные элементы приемопередающего модуля — ГУН, МШУ, смеситель. Также проводилось моделирование встроенной антенны. Принципиальная схема разработанного однокас-кадного МШУ показана на рис. 3.

Усилитель состоит из двух каскадов, транзисторы включены по схеме с общим истоком. Согласующие цепи выполнены в виде отрезков мик-рополосковых линий, конденсаторов на землю маленького номинала и разделительных конденсаторов большого номинала. По микрополосковым линиям также подавались напряжения смещения на затвор и питания на сток. Согласование схемы выполнялось на достижение минимального уровня шума. Расчетный коэффициент передачи МШУ составил 10 дБ, коэффициент шума около 6.06.5 дБ [6-9].

В качестве интегрированного источника сигнала был спроектирован ГУН (схема приведена на рис. 4).

Микрополосковые линии Ts и Т^, подключенные к истоку и затвору транзистора, вместе с ва-рактором образуют резонансный контур. На стоке образуется отрицательное дифференциальное выходное сопротивление. Частота генерации определяется в основном длиной линий Ts и Tg и емко-

стями транзистора [10]. Управление частотой генерации осуществляется варактором, в качестве которого используется транзистор в диодном включении: управляющее напряжение меняет емкость затвор—сток. На выходе ГУН расположен однокаскадный буферный усилитель для устранения влияния вариации цепи нагрузки генератора на частоту и уровень формируемого в ГУН сигнала. Номинал разделительных конденсаторов в цепях питания и смещения выбран достаточно большим, чтобы не оказывать влияния на резонансную частоту. При расчетах схемы использовалась нелинейная модель транзисторов с шириной затвора 100 мкм, построенная по результатам измерений тестовых транзисторов [11].

Смеситель построен на основе балунов Мар-шанда — трансформаторов с использованием связанных микрополосковых линий (принципиальная схема представлена на рис. 5).

На один вход смесителя поступает сигнал с ГУН, а на другой вход — сигнал, принятый с приемной антенны. На выходе балунов формируются сигналы, смещенные относительно друг друг по фазе на 180°. Выходные сигналы мостов попарно перемножаются в транзисторах, суммируются,

и в результате на выходе смесителя образуется сигнал промежуточной частоты (IF). Оптимизация параметров схемы проводилась с целью минимизации потерь преобразования в смесителе. Расчетные потери в балансном смесителе при преобразовании сигнала из диапазона 60-67 ГГц в диапазоне 0-5 ГГц не превышают 12 дБ. На данную МИС получено свидетельство о регистрации топологии интегральной схемы [12].

На этапе создания принципиальной схемы все МИС рассчитывались на сосредоточенных элементах, а затем для учета взаимного влияния распределенных элементов друг на друга проводилось электродинамическое моделирование топологического проекта в САПР Advanced Design System (ADS).

Разработанные МИС были изготовлены на технологическом оборудовании ИСВЧПЭ РАН. Фотографии кристаллов МИС ППМ после нанесения слоев фотолака и верхней металлизации представлены на рис. 6. Размеры "системы-на-кристалле" составляют 4.0 х 2.4 мм.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ МИС

На рис. 7 показаны результаты измерений типового образца ГУН. График зависимости частоты генерации от управляющего напряжения показал, что диапазон перестройки частоты составляет 6668.8 ГГц при управляющем напряжении от 0 до 10 В. График зависимости выходной мощности от частоты показал, что выходная мощность составляет около 10-13 дБм.

Потери преобразования смесителя в сигнал промежуточной частоты 1...4 ГГц составляют -14...-12 дБ при мощности гетеродина 10 дБм.

Измерения усилителя показали (рис. 8), что его характеристики сместились в более низкочастотный диапазон. На частоте 56 ГГц коэффициент

8

Uy,B

10

Рис. 7. Параметры МИС ГУН. а — зависимость частоты генерации ГУН от управляющего напряжения, б — зависимость выходной мощности от частоты ГУН

передачи достигает 6.5 дБ при хорошем согласовании входа и выхода. В диапазоне 66-67 ГГц коэффициент передачи — около 4 дБ.

а

б

однокристальный приемный модуль...

27

Рис. 8. Измеренные характеристики МШУ.

а — коэффициента передачи; б — КСВН входа; в — КСВН выхода

б

а

в

Проведена оценка полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем: было проведено сравнение разработанной МИС ППМ с устройствами, в которых приемник и передатчик объединены в один конструктивный блок и в котором по меньшей мере одна часть используется для передачи и приема сигнала, при этом все аналоги построены либо по кремниевой технологии, либо по SiGe [13-18]. Изготовленная МИС является единственной разработанной на широкозонном полупроводнике — нитриде галлия, а по габаритам и характеристикам разработанная схема находится на уровне мировых аналогов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предварительные исследования разработанной МИС приемопередающего модуля диапазона 6667 ГГц с интеграцией всех элементов приемного и передающего трактов в одной "системе-на-кристалле" продемонстрировали ее работоспособность. Выходная мощность в передающем тракте составила более 10 дБм, диапазон перестройки ГУН — более 2 ГГц. По совокупности характеристик разработанная МИС ППМ соответствует мировому уровню. Впервые в мире приемопередающая "система-на-кристалле" изготовлена на гете-роструктурах нитрида галлия.

В перспективе характеристики МИС могут быть улучшены за счет совершенствования технологии и улучшения качества гетероструктур, а стоимость промышленного изготовления может быть существенно снижена при переходе на подложки из кремния.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Мальцев П.П. Перспективы создания систем-на-кристалле для СВЧ и КВЧ диапазонов частот на ар-сениде галлия // Нано- и микросистемная техника. 2013. № 4. С. 40-48.

2. Федоров Ю.В., Мальцев П.П., Матвеенко О.С., Гнатюк Д.Л., Крапухин Д.В., Путинцев Б.Г., Павлов А.Ю., Зуев А.В. МИС усилителей со встроенными антеннами СВЧ-диапазона на наногетеро-структурах // Наноиндустрия. 2015. № 3. С. 44-51.

3. Мальцев П.П., Матвеенко О.С., Фёдоров Ю.В., Гнатюк Д.Л., Крапухин Д.В., Зуев А.В., Бунеги-на С.Л. Монолитная интегральная схема усилителя со встроенной антенной для пятимиллиметрового диапазона длин волн // Нано- и микросистемная техника. 2014. № 9. С. 12-15.

4. Бугаев А.С., Енюшкина Е.Н., Арутюнян С.С., Иванова Н.Е., Глинский И.А., Томош К.Н. Разработка технологии формирования общей земли на активной поверхности монолитной интегральной схемы усилителя мощности на нитридных гетерострукту-рах // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. 2016. Т. 16, № 4. С. 45-48.

5. Томош К.Н., Павлов А.Ю., Павлов В.Ю., Хабибул-лин Р.А., Арутюнян С.С., Мальцев П.П. Исследование процессов изготовления HEMT Al-GaN/AlN/GaN с пассивацией Si3N4 in situ // Физика и техника полупроводников. 2016. Т. 50, № 10. С. 1434-1438.

6. Мальцев П.П., Федоров Ю.В., Гнатюк Д.Л., Матвеенко О.С., Зуев А.В. Интегральный антенный элемент со встроенным усилителем для диапазона 5764 ГГц. Свидетельство о государственной регистрации № 2015630131. М., 12.12.2015.

7. Крапухин Д.В. Малошумящие усилители диапазона 60 ГГц. Обзор мировых коммерческих разработок // Нано- и микросистемная техника. 2016. № 12. С. 759-766.

8. Крапухин Д.В., Мальцев П.П. Монолитная интегральная схема малошумящего усилителя на нитриде галлия для диапазона 57-64 ГГц // Российский технологический журнал. 2016. Т. 4., № 4. С. 42-53.

9. Крапухин Д.В. Монолитная интегральная схема ма-лошумящего усилителя на нитриде галлия для диапазона 57-64 ГГц. Автореф. дис. ... к-та техн. наук, М., 2001. 27 с.

10. Muller J.-E, Grave T, Siweris H.J. A GaAs HEMT MMIC chip set for automotive radar systems fabricated by optical stepper lithography // IEEE Journal of solidstate circuits. 1997. Vol. 32, no. 9. Р. 1342-1349. Doi: 10.1109/4.628737.

11. Мальцев П.П., Федоров Ю.В., Гнатюк Д.Л., Матве-енко О.С., Путинцев Б.Г., Зуев А.В. Монолитная интегральная схема ГУН V-диапазона // Нано- и микросистемная техника. 2016. № 10. С. 645-650.

12. Мальцев П.П., Федоров Ю.В., Гнатюк Д.Л., Матве-енко О.С., Крапухин Д.В., Путинцев Б.Г. Интегрированный приемо-передающий модуль для диапазона частот 57-64 ГГц. Свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной схемы № 2016630080. М., 12.07.2016.

13. Tomkins А., Aroca R.A., Yamamoto T., Nicolson S.T., Doi Y., Voinigescu S.P. A Zero-IF 60GHz Transceiver in 65nm CMOS with > 3.5Gb/s Links // Proceedings of 2008 Custom Integrated Circuits Conference. USA. 2008. P. 505-509.

14. Siligaris A., Chaix F., Pelissier M. et al. A low power 60-GHz 2.2-Gbps UWB transceiver with integrated antennas for short range communications // Proceedings of 2013 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium. USA. 2013. P. 297-300.

15. Yao T., Tchoketch-Kebir L., Yuryevich O. et al. 65GHz Doppler Sensor with On-Chip Antenna in 0.18^m SiGe BiCMOS // IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. 2006. P. 1493-1496. Doi: 10.1109/MWSYM.2006.249575.

16. Chien M., Wicks B., Yang B., Mo Y. et al. Wireless Communications at 60 Ghz: A single-chip Solution on CMOS technology // Mobile and Wireless Communications: Network layer and circuit level design. 2010. P. 281-303. Doi: 10.5772/7701.

17. Mitomo T., Tsutsumi Y., Hoshino H. et al. A 2-Gb/s Throughput CMOS Transceiver Chipset With In-Package Antenna for 60-GHz Short-Range Wireless Communication // IEEE Journal of solid-state circuits. 2012. Vol. 47, no. 12. P. 3160-3171. Doi: 10.1109/JSSC.2013.2253424.

18. Analog Devices, HMC6001LP711E, 60 GHz Rx with integrated antenna. Product Datasheet. URL: http ://www.analog. com/en/products/rf-microwave/integrated-transceivers-transmitters-receivers/microwave-mmwave-tx-rx/hmc6001 .html (дата обращения: 30.04.2018).

Контакты: Крапухин Дмитрий Владимирович, d.krapukhin@gmail.com

Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники

ООО "Новэлком", Москва

Материал поступил в редакцию 28.06.2018

ISSN 0868-5886

NAUCHNOE PRIBOROSTROENIE, 2018, Vol. 28, No. 4, pp. 23-29

SINGLE-CHIP RECEIVING MODULE WITH BUILT-IN ANTENNA FOR THE FREQUENCY RANGE 66-67 GHZ FOR 5G COMMUNICATION SYSTEMS

D. V. Krapukhin1,2, D. L. Gnatyuk1, A. V. Zuev1, P. P. Maltsev1, O. S. Matveenko1, Yu. V. Fedorov1

1 Institute of Ultra-High Frequency Semiconductor Electronics of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia 2LLC "Novelcom ", Moscow, Russia

The work dedicated to design and research of a single-chip receiving module with an integrated antenna. Module is based on GaN HEMT technology on sapphire substrates. It is designed to work in the 66-67 GHz band and can be used for 5G communication systems. The measurements showed its operability in the range of 66-67 GHz, achievement output power more than 10 dBm and the tuning range of the VCO is more than 2 GHz.

Keywords: GaN, HEMT, transceiver, receiver, system-on-chip, oscillator, low-noise amplifier, antenna

REFERENCES

Maltsev P.P. [The prospects of creation it is system-a-crystal for the microwave oven and KVCh of ranges of frequencies on gallium arsenide]. Nano- i mikrosistem-naya tekhnika [Nano- and microsystems technology], 2013, no. 4, pp. 40-48. (In Russ.).

Fedorov Yu.V., Maltsev P.P., Matveenko O.S., Gnatyuk D.L., Krapuhin D.V., Putintsev B.G., Pavlov A.Yu., Zuev A.V. [MMIC amplifiers with built-in antennas based on nano-heterostructures]. Nanoindustriya [Nanoindustry], 2015, no. 3, pp. 44-51. (In Russ.). Maltsev P.P., Matveenko O.S., Fedorov Yu.V., Gnatyuk D.L., Krapuhin D.V., Zuev A.V., Bunegina S.L. [Monolithic integrated circuit of the amplifier with the built-in antenna for the five-millimetric range of lengths of waves]. Nano- i mikrosistemnaya tekhnika [Nano- and microsystems technology], 2014, no. 9, pp. 12-15. (In Russ.).

Bugaev A.S., Enyushkina E.N., Arutyunyan S.S., Ivanova N.E., Glinskij I.A., Tomosh K.N. [Development of technology of formation of the general earth on the active surface of the monolithic integrated circuit of the amplifier of power on nitride heterostructures]. Fundamental'nye problemy radioehlektronnogo priborostroeniya [Fundamental problems of radioengineering and device construction], 2016, vol. 16, no. 4, pp. 45-48. (In Russ.). Tomosh K.N., Pavlov A.Yu., Pavlov V.Yu., Habibul-lin R.A., Arutyunyan S.S., Maltsev P.P. [Research of processes of production HEMT Al-GaN/AlN/GaN with passivation Si3N4 in situ]. Fizika i tekhnika poluprovod-nikov [Physics and equipment of semiconductors], 2016, vol. 50, no. 10, pp. 1434-1438. (In Russ.).

6. Maltsev P.P., Fedorov Yu.V., Gnatyuk D.L., Matveenko O.S., Zuev A.V. Integral'nyj antennyj ehlement so vstroennym usilitelem dlya diapazona 57-64 GHz [Integrated antenna element with the built-in amplifier for the range of 57-64 GHz]. Certificate on the state registration no. 2015630131. Moscow, 12.12.2015. (In Russ.).

7. Krapuhin D.V. [Low-noise amplifiers of the range of 60 GHz. Review of world commercial developments]. Nano-i mikrosistemnaya tekhnika [Nano- and microsystems technology], 2016, no. 12, pp. 759-766. (In Russ.).

8. Krapuhin D.V., Maltsev P.P. [Monolithic integrated circuit of the low-noise amplifier on gallium nitride for the range of 57-64 GHz]. Rossijskij tekhnologicheskij zhurnal [Russian technological journal], 2016, vol. 4, no. 4, pp. 4253. (In Russ.).

9. Krapuhin D.V. Monolitnaya integral'naya skhema malo-shumyashchego usilitelya na nitride galliya dlya diapazo-na 57-64 GHz. Avtoref. diss. kand. techn. nauk [Monolithic integrated circuit of the low-noise amplifier on gallium nitride for the range of 57-64 GHz. Autoref. cand. techn. sci. diss.] Moscow, 2001. 27 p. (In Russ.).

10. Muller J.-E., Grave T., Siweris H.J. A GaAs HEMT MMIC chip set for automotive radar systems fabricated by optical stepper lithography. IEEE Journal of solid-state circuits, 1997, vol. 32, no. 9, pp. 1342-1349. Doi: 10.1109/4.628737.

11. Maltsev P.P., Fedorov Yu.V., Gnatyuk D.L., Matveenko O.S., Putintsev B.G., Zuev A.V. [V-range GUN monolithic integrated circuit]. Nano- i mikrosistemnaya tekhnika [Nano- and microsystems technology], 2016, no. 10, pp. 645-650. (In Russ.).

12. Maltsev P.P., Fedorov Yu.V., Gnatyuk D.L., Matveenko O.S., Krapuhin D.V., Putintsev B.G. Integrirovannyj priemo-peredayushchij modul' dlya diapazona chastot 57-

64 GHz [The integrated send-receive module for the range of the frequencies of 57-64 GHz]. Certificate on the state registration of topology of the integrated circuit no. 2016630080. Moscow, 12.07.2016. (In Russ.).

13. Tomkins A., Aroca R.A., Yamamoto T., Nicolson S.T., Doi Y., Voinigescu S.P. A Zero-IF 60GHz Transceiver in

65 nm CMOS with > 3.5Gb/s Links. Proceedings of 2008 Custom Integrated Circuits Conference. USA, 2008, pp. 505-509.

14. Siligaris A., Chaix F., Pelissier M. et al. A low power 60GHz 2.2-Gbps UWB transceiver with integrated antennas for short range communications. Proceedings of 2013 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium. USA, 2013, pp. 297-300.

15. Yao T., Tchoketch-Kebir L., Yuryevich O. et al. 65GHz Doppler Sensor with On-Chip Antenna in 0.18^m SiGe BiCMOS. IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, 2006, pp. 1493-1496. Doi:

Contacts: Krapuchin Dmitriy Vladimirovitch, d.krapukhin@gmail. com

10.1109/MWSYM.2006.249575.

16. Chien M., Wicks B., Yang B., Mo Y. et al. Wireless Communications at 60 Ghz: A single-chip Solution on CMOS technology. Mobile and Wireless Communications: Network layer and circuit level design, 2010, pp. 281-303. Doi: 10.5772/7701.

17. Mitomo T., Tsutsumi Y., Hoshino H. et al. A 2-Gb/s Throughput CMOS Transceiver Chipset With In-Package Antenna for 60-GHz Short-Range Wireless Communication. IEEE Journal of solid-state circuits, 2012, vol. 47, no. 12, pp. 3160-3171. Doi: 10.1109/JSSC.2013.2253424.

18. Analog Devices, HMC6001LP711E, 60 GHz Rx with integrated antenna. Product Datasheet. URL: http://www. analog. com/en/products/rf-microwave/integrated-transceivers-transmitters-receivers/microwave-mmwave-tx-rx/hmc6001.html.

Article received in edition 28.06.2018