本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件及傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種數(shù)字移相器。

背景技術(shù)：

移相器(phaseshifter)是用來改變傳輸信號(hào)相位的器件，在雷達(dá)、通訊系統(tǒng)、儀表儀器、導(dǎo)彈控制系統(tǒng)等眾多技術(shù)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。其中，相控陣?yán)走_(dá)是移相器最為重要的應(yīng)用領(lǐng)域。發(fā)射/接收(t/r)組件是現(xiàn)代有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中的核心部件，其性能優(yōu)越與否在很大程度上影響相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的整體性能，包括衰減器、微波開關(guān)、限幅器、移相器等微波控制電路元件。其中移相器的移相精度決定了t/r組件乃至雷達(dá)能否實(shí)現(xiàn)波束對(duì)空中目標(biāo)的快速、準(zhǔn)確定位以及波束的副瓣抑制能力。因此，移相器部件的性能決定了t/r組件設(shè)計(jì)的成敗，其成本、性能、質(zhì)量、體積、可靠性也直接影響著相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的相應(yīng)指標(biāo)。

現(xiàn)有的移相器，主要采用砷化鎵(gaas)工藝的高電子遷移率晶體管(hemt)工藝來實(shí)現(xiàn)。gan器件為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件，可以工作在高溫大功率以及輻射等惡劣的條件下，功率容量大，具有g(shù)aas等其他半導(dǎo)體材料在微波射頻領(lǐng)域無法比擬的性能優(yōu)勢(shì)，可以進(jìn)一步改善雷達(dá)收發(fā)組件的性能。針對(duì)中等相移量的數(shù)字移相器電路，目前大多采用加載線型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由于需要引入λ/4微帶線，不利于移相器集成和縮小面積，且相移精度較差，有必要提出更高性能的數(shù)字移相器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明旨在解決上述問題，提供了一種具有更好性能的數(shù)字移相器，用于解決移相器在集成和面積上存在的問題，并且能夠提高相移精度。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明的一方面提供一種數(shù)字移相器，包括：gan基底；以及數(shù)字移相電路，形成于該gan基底上；

其中，所述數(shù)字移相電路采用全通型結(jié)構(gòu)的數(shù)字移相電路，該全通型結(jié)構(gòu)的數(shù)字移相電路采用algan/gan異質(zhì)結(jié)的高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為開關(guān)器件。

其中，所述全通型結(jié)構(gòu)的數(shù)字移相電路，包括第一開關(guān)器件101、第二開關(guān)器件106、第一電容102、第二電容104、第一電感103、第二電感105和第三電感107，其中：

第一開關(guān)器件101和第二開關(guān)器件106均采用場(chǎng)效應(yīng)晶體管；

第一開關(guān)器件101的源極依次連接第一電感103、第三電感107后返回連接第一開關(guān)器件101的漏極，第一開關(guān)器件101的源極和第一開關(guān)器件101的漏極之間并聯(lián)第一電容102；

第二開關(guān)器件106的源極連接第二電感105后返回連接第二開關(guān)器件106的漏極；第二開關(guān)器件106的源極接地；

第二電容104，一端連接于第一電感103和第三電感107中間的位置，一端連接第二開關(guān)器件106的漏極。

其中，所述第一開關(guān)器件101和第二開關(guān)器件106采用的場(chǎng)效應(yīng)晶體管為具有algan/gan異質(zhì)結(jié)的高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(hemt)。

其中，所述具有algan/gan異質(zhì)結(jié)的高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，包括襯底sic，其上依次為成核層aln、異質(zhì)結(jié)algan/gan中的gan層、異質(zhì)結(jié)algan/gan中的algan層。

其中，所述algan層上表面兩端具有源極s和漏極d。

其中，所述源極s和漏極d與algan層的接觸均為歐姆接觸，且源極s和漏極d采用ti/al/ti/au材料的疊層。

其中，所述algan層上表面的中間為柵極g。

其中，所述柵極g與algan層的接觸為肖特基接觸，且柵極g采用ti/au材料的疊層。

其中，所述柵極g，其柵長(zhǎng)為0.25μm，柵寬為8×100μm。

其中，所述gan層和所述algan層之間還包括插入層aln，用于促進(jìn)二維電子氣(2deg)的激發(fā)。

(三)有益效果

本發(fā)明提供的數(shù)字移相器，具有以下積極效果：

(1)本發(fā)明的數(shù)字移相器，針對(duì)中等相移量的相位需求，采用全通型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)字移相電路，不需要引入λ/4微帶線，并采用精確容值和感值的器件，從而利于移相器集成和縮小面積，并且，該種設(shè)計(jì)在頻段內(nèi)具有更低的相位誤差，提升了移相器電路的相移精度，從而大大提高了相控陣?yán)走_(dá)、通信、電子對(duì)抗以及智能武器等軍事系統(tǒng)與裝備中收發(fā)組件的性能。

(2)本發(fā)明的數(shù)字移相器，適合工作在高溫、輻射等惡劣環(huán)境中以及具有高功率容量的特點(diǎn)。

附圖說明

圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)字移相器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)字移相器的hemt器件的截面示意圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)字移相器的頻率-相移仿真示意圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)字移相器的輸入輸出端口間頻率-插入損耗仿真示意圖；

圖5為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)字移相器的輸入輸出端口間頻率-輸入回波損耗仿真示意圖；

圖6為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)字移相器的輸入輸出端口間頻率-輸出回波損耗仿真示意圖；

圖7為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)字移相器的輸入輸出端口間輸入功率-輸出功率實(shí)測(cè)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

在本實(shí)施例中，該數(shù)字移相器為基于gan基mmic工藝設(shè)計(jì)的數(shù)字移相器，該數(shù)字移相器包括：gan基底；數(shù)字移相電路，形成于該gan基底上；其中，數(shù)字移相電路采用全通型結(jié)構(gòu)的數(shù)字移相電路，該全通型結(jié)構(gòu)的數(shù)字移相電路采用algan/gan異質(zhì)結(jié)的高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為開關(guān)器件。相較于gaas材料，gan材料具有更寬的禁帶寬度，更大的電子飽和漂移速率、更高的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)等特點(diǎn)，由于熱生泄漏電流主要由禁帶寬度決定的，因此在給定溫度下，gan比其它窄帶半導(dǎo)體材料的熱生泄漏電流小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，充分顯示其在高溫條件下的應(yīng)用潛力。其中，輸入輸出信號(hào)電極rfin、rfout連接歐姆端口；移相電路采用0.25μm，柵寬分別為8×100μm；偏置線提供控制開關(guān)器件開啟/關(guān)斷所需的柵極電壓vg為0/-5v。

如圖1所示，移相電路采用全通型結(jié)構(gòu)的數(shù)字移相電路，其包括第一開關(guān)器件101和第二開關(guān)器件106、第一電容102和第二電容104、第一電感103和第二電感105以及連接各元件的微帶線。偏置線提供0v柵極電壓控制開關(guān)器件開啟或提供-5v柵極電壓控制開關(guān)器件關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)信號(hào)在不同支路上的傳播，即形成不同相位狀態(tài)的切換。

在本實(shí)施例中，相移量為22.5°。當(dāng)偏置線提供-5v柵極電壓控制第一開關(guān)器件101關(guān)斷、提供0v柵極電壓控制第二開關(guān)器件106開啟時(shí)，定義為移相態(tài)，此時(shí)第一開關(guān)器件101被看做一個(gè)小的關(guān)斷電容，第二開關(guān)器件106等效為一個(gè)非常小的串聯(lián)電阻，近似于理想導(dǎo)通，將第二電感105短接到地，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)等效為一個(gè)全通濾波結(jié)構(gòu)。當(dāng)偏置線提供0v柵極電壓控制第一開關(guān)器件101開啟、提供-5v柵極電壓控制第二開關(guān)器件106關(guān)斷時(shí)，定義為參考態(tài)，此時(shí)第一開關(guān)器件101可以等效為一個(gè)非常小的串聯(lián)電阻，近似于理想導(dǎo)通，而第二開關(guān)器件106則相當(dāng)于一個(gè)小的關(guān)斷電容，與第二電感105形成并聯(lián)諧振，防止射頻信號(hào)泄露到地。因此可以得到一個(gè)近似為零的相位響應(yīng)。偏置線控制信號(hào)在移相態(tài)、參考態(tài)兩種狀態(tài)下的切換，即可得到所需相移量。

第一開關(guān)器件101和第二開關(guān)器件106采用的場(chǎng)效應(yīng)晶體管為具有algan/gan異質(zhì)結(jié)的高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(hemt)。

圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)字移相器的hemt器件的截面示意圖，如圖2所示，具有algan/gan異質(zhì)結(jié)的高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，包括襯底sic，其上依次為成核層aln、異質(zhì)結(jié)algan/gan中的gan層、異質(zhì)結(jié)algan/gan中的algan層；其中，algan層上表面兩端具有源極s和漏極d。源極s和漏極d與algan層的接觸均為歐姆接觸，且源極s和漏極d采用ti/al/ti/au材料的疊層。其中，algan層上表面的中間為柵極g。其中，柵極g與algan層的接觸為肖特基接觸，且柵極g采用ti/au材料的疊層。其中，gan層和algan層之間還包括插入層aln，用于促進(jìn)二維電子氣(2deg)的激發(fā)。其中，柵極g，其柵長(zhǎng)為0.25μm，柵寬為8×100μm。

圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)字移相器的頻率-相移仿真示意圖；其中，橫軸為輸入射頻信號(hào)的頻率，縱軸為該移相器的相移精度，由圖3可知，移相器的相移精度隨輸入射頻信號(hào)頻率為11ghz時(shí)最佳，整體的相移精度范圍為-1.8～1.3°。

圖4為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)字移相器的輸入輸出端口間頻率-插入損耗仿真示意圖；其中，橫軸為輸入射頻信號(hào)的頻率，縱軸為該移相器的插入損耗，由圖4可知，在8.5～12ghz，隨著輸入射頻信號(hào)頻率的增加，移相器的參考態(tài)和移相態(tài)插入損耗也隨之而增加，整體插入損耗均小于-1db。

圖5為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)字移相器的輸入輸出端口間頻率-輸入回波損耗仿真示意圖；其中，橫軸為輸入射頻信號(hào)的頻率，縱軸為該移相器的輸入回波損耗，由圖5可知，在8.5～12ghz，隨著輸入射頻信號(hào)頻率的增加，移相器的參考態(tài)和移相態(tài)輸入回波損耗也隨之而減小，整體輸入回波損耗均小于-35db。

圖6為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)字移相器的輸入輸出端口間頻率-輸出回波損耗仿真示意圖。其中，橫軸為輸入射頻信號(hào)的頻率，縱軸為該移相器的輸出回波損耗，由圖6可知，在8.5～12ghz，隨著輸入射頻信號(hào)頻率的增加，移相器的參考態(tài)和移相態(tài)輸出回波損耗也隨之而減小，整體輸出回波損耗均小于-32db。

圖7為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的相同移相量的gan數(shù)字移相器與gaas數(shù)字移相器的輸入功率-輸出功率實(shí)測(cè)對(duì)比示意圖。其中，橫軸為輸入功率，縱軸為輸出功率和功率壓縮量，由圖7可知，gan移相器的功率容量?jī)?yōu)于gaas移相器，gan移相器的輸入功率p1db壓縮點(diǎn)為35dbm，而gaas移相器的輸入功率p1db壓縮點(diǎn)為24dbm，gan移相器的飽和輸出功率為34.5dbm，gaas移相器的飽和輸出功率為22.5dbm

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。