СЛОЖНОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СВЧ МОНОЛИТНАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА

Полезная модель относится к СВЧ схемам и предназначена для использования, как в приемопередающих устройствах, например, в модулях АФАР, так и в других радиотехнических устройствах.
Широко известны сложнофункциональные СВЧ монолитные интегральные схемы на полевых транзисторах, предназначенные для приемопередающих устройств, включающие следующий набор функциональных элементов: усилитель, фазовращатель, аттенюатор, переключатель. Например, в работе [1] детально описана подобная схема (core-chip), выполненная на полевых гетероструктурных транзисторах (рНЕМТ) и предназначенная для работы в Х-диапазоне. Данная схема содержит следующие функциональные элементы: дискретный фазовращатель на 256 состояний (8 разрядов), дискретный аттенюатор на 1024 состояния (10 разрядов), два переключателя на два положения, четыре усилителя мощности. Кроме того, схема содержит 20 драйверов, формирующих уровни управляющих сигналов для ряда функциональных элементов.
Известная схема имеет следующие недостатки. Созданные в монолитной интегральной схеме пассивные функциональные элементы, такие как фазовращатель, аттенюатор и переключатели выполнены на основе транзисторов и имеют сравнительно высокие прямые потери. Поэтому для восстановления амплитуды сигнала, прошедшего через эти элементы до приемлемого уровня, необходимо использовать усилители мощности. В свою очередь использование усилителей мощности в схеме усложняет саму схему и приводит к повышенному потреблению мощности и выделению тепла. Кроме того, многие параметры функциональных элементов напрямую зависят от точности воспроизведения размеров затворов полевых транзисторов, поскольку от размера затвора зависят емкости транзистора, а значит и параметры схемы. В СВЧ схемах у полевых транзисторов обычно делают субмикронными длины затворов. Воспроизводимость получения субмикронных размеров затворов в настоящее время представляет сложную задачу. Невысокая воспроизводимость размеров затворов ведет к невысокой воспроизводимости параметров СВЧ сложнофункциональных схем
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели является другая сложнофункциональная СВЧ монолитная интегральная схема XZ1002-BD, разработанная фирмой М/А-СОМ [2]. Прототип содержит следующие функциональные элементы: дискретный фазовращатель на 64 состояния (6 разрядов), дискретный аттенюатор на 32 состояния (5 разрядов), три переключателя на два положения, четыре усилителя мощности. Кроме того, схема содержит драйверы, формирующие уровни управляющих сигналов для некоторых функциональных элементов.
Недостатки прототипа такие же, как и в упомянутых аналогах. Это сравнительно высокие прямые потери на пассивных функциональных элементах, таких как фазовращатель, аттенюатор и переключатель, созданных в монолитной интегральной схеме и выполненных на основе транзисторов, что обуславливает необходимость использования усилителей для восстановления амплитуды сигнала до приемлемого уровня. В свою очередь использование усилителей мощности в схеме усложняет схему и приводит к повышенному потреблению мощности и выделению тепла.
Кроме того, многие параметры функциональных элементов напрямую зависят от точности воспроизведения размеров затворов полевых транзисторов, поскольку от размера затвора зависят емкости транзистора, а значит и параметры схемы. В СВЧ схемах у полевых транзисторов обычно делают субмикронными длины затворов. Воспроизводимость получения субмикронных размеров затворов в настоящее время представляет сложную задачу. Невысокая воспроизводимость размеров затворов ведет к невысокой воспроизводимости параметров СВЧ сложнофункциональных схем.
Технический результат, на который направлено заявляемое решение, состоит в устранении указанных недостатков.
Этот результат достигается тем, что в сложнофункциональной СВЧ монолитной интегральной схеме, содержащей полный или неполный набор функциональных элементов схемы, таких как фазовращатель, аттенюатор, переключатель, в отличие от прототипа, все названные элементы выполнены на основе pin-диодов. Уменьшение прямых потерь в таких функциональных элементах, как фазовращатель, аттенюатор и переключатель, созданных на pin-диодах и включенных в состав монолитной интегральной схемы в сравнении с транзисторными аналогами, будет обусловлено лучшими коммутационными характеристиками pin-диодов (при одинаковых емкостях приборов, сопротивление вносимых потерь pin-диода будет в несколько раз меньше).
Результирующие потери на всех пассивных функциональных элементах будут существенно меньше в схеме на pin-диодах, что позволит исключить все или несколько усилителей мощности из кристалла сложнофункциональной схемы, а значит, приведет к уменьшению потребляемой мощности и выделению тепла. И, наконец, построение элементов на pin-диодах позволит существенно повысить воспроизводимость параметров схемы при изготовлении, поскольку линейные размеры диодов, как минимум, на порядок больше длин затворов полевых транзисторов и достаточно точно воспроизводятся с использованием обычной фотолитографии.
На фиг.1 схематично показана одна из возможных конструкций предлагаемой схемы. Сложнофункциональная СВЧ монолитная интегральная схема выполнена на подложке 1 из полуизолирующего полупроводника и содержит всего один переключатель 2 на два положения (прием/передача), дискретный фазовращатель 3 на 64 состояния (6 разрядов), аттенюатор 4 на 32 состояния (5 разрядов). На полуизолирующей подложке 1 созданы также шины 5 управления разрядами фазовращателя 3, аттенюатора 4 и переключателя 2. Шины заканчиваются контактными площадками 6. Все функциональные элементы 2, 3 и 4 построены на pin-диодах.
Пример практического исполнения.
+
+
СВЧ сложнофункцональная схема, предназначенная для приемопередающих модулей АФАР, работающих в Х-диапазоне, выполнялась на подложке 1 из арсенида галлия, на которой методом молекулярно-лучевой эпитаксия была выращена гетероструктура p-AlGaAs/i-GaAs/n-GaAs. С использованием стандартных технологических операций (фотолитография, меза-травление, вакуумное нанесение металлов, плазмохимическое осаждение диэлектриков, магнетронное нанесение диэлектрика, гальваническое осаждение и др.), в едином технологическом процессе на полупроводниковой структуре создавались pin-диоды, индуктивности, конденсаторы, разводка первого и второго уровней металлизации и сквозные металлизированные отверстия. В результате была получена схема изображенная на фиг.1, содержащая переключатель 2, фазовращатель 3, аттенюатор 4.
Работа схемы осуществляется следующим образом.
Режим «прием».
На порт 2 схемы поступает сигнал со входного малошумящего усилителя, не входящего в состав схемы, при этом переключатель 2 находится в положении «прием». Далее сигнал проходит через фазовращатель и аттенюатор, где происходят преобразования фазы и амплитуды сигнала, и поступает на порт 1.
Режим «передача».
На порт 1 поступает передаваемый сигнал. Далее сигнал проходит через аттенюатор и фазовращатель, где происходят преобразования амплитуды и фазы сигнала, и поступает на порт 3 через переключатель 2, который находится в положении «передача». С переключателя 3 сигнал поступает на усилитель мощности, а затем через циркулятор или мощный коммутатор в антенну.
Положения переключателя 2 и состояния фазовращателя 3, и аттенюатора 4 задаются управляющими токами, поступающими на pin-диоды соответствующих функциональных элементов через шины 5 от внешней схемы управления. В обоих режимах («прием» и «передача») прямые потери в схеме не превысят нескольких децибел, а уровень ослабленного на такую величину сигнала будет достаточным для эффективной работы устройства. В то же время, для транзисторных аналогов суммарные вносимые потери пассивных элементов (аттенюатор, фазовращатель и переключатель) составляют от 12 до 25 дБ, что обуславливает необходимость введения в схему усилителей мощности.
Таким образом, продемонстрирована работа предложенной СВЧ сложнофункциональной схемы, содержащей следующий набор функциональных элементов: фазовращатель, аттенюатор и переключатель, выполненных на pin-диодах. Показано, что реализация схемы на pin-диодах позволяет упростить кристалл схемы за счет исключения усилителей мощности в кристалле, что одновременно приведет к уменьшению потребляемой мощности, уменьшению выделения тепла и улучшению воспроизводимости параметров схемы, так как не требуется создавать элементы субмикронных размеров.
Источники информации.
1. Ф.Е.Щербаков, Ю.М.Богданов, К.В.Дудинов и др. Многофункциональные МИС с малым энергопотреблением на основе 2-х уровневых рНЕМТ для перспективных модулей АФАР // Сборник трудов конференции. «Микроэлектроника СВЧ». Санкт-Петербург. 2012. С.80-82.
2. Сайт фирмы М/А-СОМ [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.macomtechasia.com/pdf/XZ1002-BD.pdf (дата обращения: 10.08.2012)