專利名稱：具有并聯(lián)的高通信號(hào)通路和低通信號(hào)通路的半導(dǎo)體移相器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在相陣?yán)走_(dá)或其類似物中使用的半導(dǎo)體移相器。
在一個(gè)第一現(xiàn)有技術(shù)半導(dǎo)體移相器中(見Robert V.Garrer，＂寬帶二極管移相器(Broad-band Diode Phase Shifters)＂，IEEE Trans.ofMicrowave Theory and Techniques，第MTT-20卷，第5號(hào)，第314-323頁(yè)，1972年5月)，一個(gè)T型高通濾波器和一個(gè)T型低通濾波器通過(guò)調(diào)整開關(guān)來(lái)切換，后文中將進(jìn)行詳述。
但是，在第一現(xiàn)有技術(shù)半導(dǎo)體移相器中，因?yàn)樾枰獌蓚€(gè)控制偏壓，所以需要兩個(gè)開關(guān)，造成了很大的插入損失。
在第二現(xiàn)有技術(shù)半導(dǎo)體移相器中(見JP-A-1-202007)，僅使用了一個(gè)開關(guān)。后文中亦將進(jìn)行詳述。
但是，在第二現(xiàn)有技術(shù)半導(dǎo)體移相器中，即使傳輸信號(hào)的頻率相對(duì)于想得到的頻率只有微小的相移，相移就會(huì)偏離，因此半導(dǎo)體移相器的帶寬過(guò)窄。
本發(fā)明的目的之一是提供一種半導(dǎo)體移相器，它可以減少插入損失，并且有寬廣的工作帶寬和增加的反回?fù)p失(return loss)。
依照本發(fā)明，在半導(dǎo)體移相器中，在輸入端口和輸出端口之間并聯(lián)了一個(gè)高通信號(hào)通路和一個(gè)低通信號(hào)通路。高通信號(hào)通路由第一和第二傳輸線構(gòu)成，該第一和第二傳輸線連接在輸入和輸出端口之間，具有λ/4的有效長(zhǎng)度，其中λ是傳輸信號(hào)的波長(zhǎng)，在第一和第二傳輸線之間至少連接了一個(gè)第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管，并且至少有兩個(gè)第三傳輸線分別與第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管和地端相連。低通信號(hào)通路由第四和第五傳輸線構(gòu)成，該第四和第五傳輸線連接在輸入和輸出端口之間，具有λ/4的有效長(zhǎng)度，在第四和第五傳輸線之間至少連接了一個(gè)第六場(chǎng)效應(yīng)晶體管，并且至少有兩個(gè)第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管分別連接在第六傳輸線和地端之間。每個(gè)第三和第六傳輸線均作為電感器。
通過(guò)以下的詳細(xì)說(shuō)明將會(huì)更清楚的理解本發(fā)明，與現(xiàn)有技術(shù)相比較，參照附圖，其中

圖1是一個(gè)電路圖，示出了第一現(xiàn)有技術(shù)半導(dǎo)體移相器；圖2是一個(gè)電路圖，示出了第二現(xiàn)有技術(shù)半導(dǎo)體移相器；圖3A和圖3B是圖2中的半導(dǎo)體移相器的等效電路圖，其中高通信號(hào)通路被激活，低通信號(hào)通路未被激活；圖4是圖2中的半導(dǎo)體移相器的等效電路圖。其中低頻信號(hào)通路被激活，高通信號(hào)通路未被激活；圖5是一個(gè)電路圖，示出了依照本發(fā)明的第一實(shí)施例的電路圖；圖6A和圖6B是圖5中的半導(dǎo)體移相器的等效電路圖；圖7是一個(gè)曲線圖，示出了圖5中的半導(dǎo)體移相器的移相特性；圖8是一個(gè)電路圖，示出了依照本發(fā)明的第二實(shí)施例的電路圖；圖9A和圖9B是圖8中的半導(dǎo)體移相器的等效電路圖；圖10是一個(gè)曲線圖，示出了圖8中的半導(dǎo)體移相器的移相特性；圖11是一個(gè)電路圖，是出了依照本發(fā)明的的第三實(shí)施例2的電路圖；圖12是一個(gè)曲線圖，示出了圖11中的半導(dǎo)體移相器的移相特性；和圖13是一個(gè)電路圖，示出了圖5中的半導(dǎo)體移相器的變型。
在對(duì)優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述前，將參照?qǐng)D1，2，3A和4，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)半導(dǎo)體移相器進(jìn)行解釋。
在圖1中，示出了第一現(xiàn)有技術(shù)半導(dǎo)體移相器(見Robert V.Garrer，＂Broad-band Diode Phase Shifters＂(《寬帶二極管移相器》)，IEEE Trans.ofMicrowave Theory and Techniques，第MTT-20卷，第5號(hào)，第314-323頁(yè)，1972年5月)，一個(gè)T型高通濾波器101和一個(gè)T型低通濾波器102通過(guò)調(diào)整開關(guān)103和104來(lái)切換。高通濾波器101由串接的電容器1011和1012以及一個(gè)旁路電感器1013構(gòu)成，用來(lái)提供相位前移。低通濾波器102由串接的電感器1021和1022以及一個(gè)旁路電容器1023構(gòu)成，用來(lái)提供相位遲延。符號(hào)IN用來(lái)表示輸入端口，符號(hào)OUT用來(lái)表示輸出端口。
在圖1中，當(dāng)高通濾波器101被激活而低通濾波器102未被激活的情況下，無(wú)線頻率信號(hào)的相位φH可以表示為φH＝tan-1{(B+2X-BX2)/2(1-BX)} (1)其中X是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電抗；和B是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電納。
另一方面，在圖1中，當(dāng)?shù)屯V波器102被激活而高通濾波器101未被激活的情況下，相位φL可以表示為φL＝tan-1{-(B+2X-BX2)/2(1-BX)}(2)因此，根據(jù)等式(1)和(2)，相移Δφ為Δφ＝φH-φL＝2tan-1{-(B+2X-BX2)/2(1-BX)} (3)但是，在圖1中的半導(dǎo)體移相器中，需要兩個(gè)控制偏壓，即需要開關(guān)103和104，這就產(chǎn)生了很大的插入損失。
在圖2中，示出了第二現(xiàn)有技術(shù)半導(dǎo)體移相器(見JP-A-1-202007)，其中只使用了一個(gè)控制偏壓。即，使用了串接的電感器201和202，旁路電容器203和旁路電感器204。而且，由一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)構(gòu)成的開關(guān)205連接在電感器201和202之間，由一個(gè)FET構(gòu)成的開關(guān)206與旁路電感器204串接在一起。FET205和206由加在控制端CONT的電壓控制。
在圖2中，當(dāng)FET205和206導(dǎo)通時(shí)，電感器201和202的兩端被短路，圖2中的電路變?yōu)槿鐖D3A中所示出的T型高通濾波器。在這種情況下，如果選擇電容器203的電容C和電感器204的電感L，使之形成一個(gè)具有想得到的頻率f0的振蕩回路，即f0=1/(2πLC)---(4)]]>那么，圖2中的電路可以用如圖3B中所示出的簡(jiǎn)單電路來(lái)代表。
另一方面，在圖2中，當(dāng)FET205和206截止時(shí)，圖2中的電路用如圖4所示出的T型低通濾波器來(lái)代表。
因此，根據(jù)等式(4)，相移Δφ為Δφ=2πf0LC---(5)]]>但是，在圖2中的半導(dǎo)體移相器中，即使傳輸信號(hào)的頻率從想得到的頻率f0偏移了一點(diǎn)，相移Δφ就產(chǎn)生了偏離，因此圖2中的半導(dǎo)體移相器是窄帶寬的。
在圖5中，示出了本發(fā)明的第一優(yōu)選實(shí)施例，一個(gè)高通信號(hào)通路由傳輸線1a和1b構(gòu)成，該傳輸線1a和1b具有λ/4，3λ/4，5λ/4，…，的有效長(zhǎng)度，其中λ是傳輸信號(hào)的波長(zhǎng)，傳輸線2a，2b和2c作為電感器，由FET3a和3b構(gòu)成的開關(guān)連接在傳輸線1a和1b之間并且經(jīng)一個(gè)隔離電阻4被控制端CONT1的電壓控制。
而且，一個(gè)低通信號(hào)通路由傳輸線5a和5b構(gòu)成，該傳輸線5a和5b具有λ/4，3λ/4，5λ/4，…，的有效長(zhǎng)度，傳輸線6a作為電感器并且連接在傳輸線5a和5b之間，由FET7a和7b構(gòu)成的開關(guān)分別與傳輸線5a和5b相連，并且經(jīng)一個(gè)隔離電阻8被控制端CONT2的電壓控制。
通常地，應(yīng)注意每個(gè)傳輸線1a，1b，5a和5b的有效長(zhǎng)度可能相互不同，它們可以表示如下(2n+1)λ/4 其中n等于0，1，2，…在圖5中，當(dāng)FET3a和3b被控制端CONT1的電壓截止并且FET7a和7b被控制端CONT2的電壓導(dǎo)通時(shí)，圖5中的電路變?yōu)槿鐖D6A中所示的高通濾波器，來(lái)提供位相前移。在這種情況下，傳輸線5a和5b被接地，因此沒(méi)有反射由之產(chǎn)生。
另一方面，在圖5中，當(dāng)FET3a和3b被控制端CONT1的電壓導(dǎo)通并且FET7a和7b被控制端CONT2的電壓截止時(shí)，圖5中的電路變?yōu)槿鐖D6B中所示的低通濾波器，來(lái)提供位相遲延。在這種情況下，傳輸線1a和1b被接地，因此沒(méi)有反射由之產(chǎn)生。
在圖5中的半導(dǎo)體移相器中，因?yàn)镕ET3a，3b，7a和7b作為電感器并且作為切換高頻信號(hào)通路和低頻信號(hào)通路的開關(guān)，則圖1中的半導(dǎo)體移相器中的開關(guān)103和104就不再需要，因此減少了插入損失。
在圖5中的半導(dǎo)體移相器的一個(gè)例子中，F(xiàn)ET3a，3b，7a和7b是AlGaAs異質(zhì)結(jié)FET(AlGaAs heterojunction FET)，其柵長(zhǎng)度為0.15μm，柵寬度為190μm。在這種情況下，當(dāng)該FET截止時(shí)，電容為40fF，當(dāng)該FET導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通電阻為8Ω。傳輸線1a和1b均是微波帶傳輸線，其寬度為10μm且長(zhǎng)度為280μm，傳輸線2a，2b，和2c均是微波帶傳輸線，其寬度為10μm且長(zhǎng)度為190μm。而且，傳輸線5a和5b是微波帶傳輸線，其寬度為10μm且長(zhǎng)度為350μm。而且，傳輸線6a是微波帶傳輸線，其寬度為10μm且長(zhǎng)度為260μm。以上提到的圖5中的半導(dǎo)體移相器的例子，其相位特性如圖7所示。即，在77GHz的位置相移為43.4°。而且，在從70GHz至80GHz的寬帶寬范圍內(nèi)達(dá)到了好的相移。進(jìn)一步的，在77GHz處的插入損失較小，為1.2dB，在77GHz處的返回?fù)p失較大，為25dB。
在圖8中示出了本發(fā)明的第二優(yōu)選實(shí)施例，傳輸線6b與圖5中的傳輸線6a具有相同的結(jié)構(gòu)，開關(guān)由與FET7a和FET7b具有相同結(jié)構(gòu)的FET7c構(gòu)成，該傳輸線6b和該開關(guān)被加入圖5中的低通信號(hào)通路。
在圖8中，當(dāng)FET3a和3b被控制端CONT1的電壓截止并且FET7a，7b和7c被控制端CONT2的電壓導(dǎo)通時(shí)，圖8中的電路變?yōu)槿鐖D9A所示的高通濾波器，來(lái)提供相位前移。在這種情況下，傳輸線5a和5b被接地，因此沒(méi)有反射由之產(chǎn)生。
另一方面，在圖8中，當(dāng)FET3a和3b被控制端CONT1的電壓導(dǎo)通并且FET7a，7b和7c被控制端CONT2的電壓截止時(shí)，圖8中的電路變?yōu)槿鐖D9B所示的低通濾波器，來(lái)提供相位延遲。在這種情況下，傳輸線1a和1b被接地，因此沒(méi)有反射由之產(chǎn)生。
而且，在圖8中的半導(dǎo)體移相器中，因?yàn)镕ET3a，3b，7a，7b和7c作為電感器同時(shí)作為用于切換高通信號(hào)通路和低通信號(hào)通路的開關(guān)，因此圖1中的半導(dǎo)體移相器中的開關(guān)103和104就不再需要，這就減少了插入損失。
與以上提到的例子具有相同的尺寸特性的圖8中的半導(dǎo)體移相器的相位特性如圖10所示。即，在頻率為75GHz處的相移為93.3°。而且，在從70GHz至80GHz的寬帶寬范圍內(nèi)得到了好的相移特性。進(jìn)一步的，在75GHz處的插入損失較小，為小于1.3dB，在75GHz處的返回?fù)p失較大，為大于22dB。
在圖11中示出了本發(fā)明的第三優(yōu)選實(shí)施例，使用了一個(gè)分布參數(shù)FET9來(lái)取代圖8中的傳輸線6a和6b以及FET7a，7b和7c。分布參數(shù)FET9由一個(gè)晶體管構(gòu)成，該晶體管包含一個(gè)柵極和將該柵極夾在中間的第一和第二兩個(gè)歐姆極以及圍繞晶體管的活動(dòng)層，其中第一歐姆極接地，第二歐姆極的管腳作為FET9的輸入和輸出端。分布FET9的柵極經(jīng)過(guò)隔離電阻8與控制端CONT2相連。
在圖11中的半導(dǎo)體移相器的一個(gè)例子中，F(xiàn)ET3a和FET3b均為AlGaAs異質(zhì)結(jié)FET，其柵長(zhǎng)度為0.15μm，柵寬度為100μm。在這種情況下，當(dāng)FET截止時(shí)，電容為40fF，而當(dāng)FET導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通電阻為8ou。傳輸線1a和1b均是微波傳輸帶線，其寬度為10μm且長(zhǎng)度為280μm，傳輸線2a，2b，和2c均是微波傳輸帶線，其寬度為10μm且長(zhǎng)度為190μm。而且，傳輸線5a和5b是微波傳輸帶線，其寬度為10μm且長(zhǎng)度為190μm。而且，分布參數(shù)FET9的漏極寬度為30μm柵極長(zhǎng)度為400μm。圖11中的半導(dǎo)體移相器的以上例子，其相位特性如圖12所示。即，在頻率為77GHz處的相移為24.8°。而且，在從70GHz至80GHz的寬帶寬范圍內(nèi)得到了好的相移。進(jìn)一步的，77GHz處的插入損失較小，為小于1.4dB，而且77GHz處的返回?fù)p失較大，為大于23dB。
在以上提到的各實(shí)施例中，盡管在高通信號(hào)通路中使用了三個(gè)傳輸線2a，2b和2c以及兩個(gè)FET 3a和3b，實(shí)際上，在其中也可以使用二、四或者更多的傳輸線以及一、三或者更多的FET。同樣的，在第一和第二實(shí)施例中，盡管在低通信號(hào)通路中使用了一個(gè)或兩個(gè)傳輸線6a，6b以及兩個(gè)或三個(gè)FET 7a，7b和7c，實(shí)際上，在其中也可以使用三個(gè)或者更多的傳輸線以及四個(gè)或者更多的FET。而且，各FET可以由MOSFET構(gòu)成。
而且，本發(fā)明可以應(yīng)用于如圖13所示的具有T型高通濾波器的半導(dǎo)體移相器中。
依照本發(fā)明，如以上所解釋的，插入損失得到了降低，得到了寬帶寬的工作范圍。更進(jìn)一步的，返回?fù)p失得到了增加。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體移相器，包含一個(gè)輸入端(IN)；一個(gè)輸出端(OUT)；和一個(gè)高通信號(hào)通路和一個(gè)低通信號(hào)通路，并聯(lián)在所述的輸入端和所述的輸出端之間，所述的高通信號(hào)通路包含一個(gè)第一傳輸線(1a)，與所述的輸入端連接，具有(2n1+1)λ/4，(n1＝0，1，2，…)的有效長(zhǎng)度，其中λ是傳輸信號(hào)的波長(zhǎng)；一個(gè)第二傳輸線(1b)，與所述的輸出端連接，具有(2n2+1)λ/4，(n2＝0，1，2，…)的有效長(zhǎng)度；至少一個(gè)第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管(3a，3b)，連接在所述的第一和第二傳輸線之間；和至少兩個(gè)第三傳輸線(2a，2b，2c)，每個(gè)均與所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管和地端相連，所述的第三傳輸線均作為電感器，所述的低通信號(hào)通路包含一個(gè)第四傳輸線(5a)，與所述的輸入端連接，具有(2n3+1)λ/4，(n3＝0，1，2，…)的有效長(zhǎng)度；一個(gè)第五傳輸線(5b)，與所述的輸出端連接，具有(2n4+1)λ/4，(n4＝0，1，2，…)的有效長(zhǎng)度；至少一個(gè)第六傳輸線(6a，6b)，連接在所述的第四和第五傳輸線之間，所述的第六傳輸線作為電感器；和至少兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(7a，7b，7c)，每個(gè)均與所述的第六傳輸線和地端相連。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體移相器，其特征在于所述的第六傳輸線和所述的第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管由一個(gè)分布參數(shù)場(chǎng)效應(yīng)晶體管構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體移相器，其特征在于所述的分布參數(shù)場(chǎng)效應(yīng)晶體管包含一個(gè)晶體管，它有一個(gè)柵極和將該柵極夾在中間的第一和第二歐姆極，所述的第一和第二歐姆極的管腳作為所述的分布參數(shù)晶體管的輸入端和輸出端；和一個(gè)圍繞著所述晶體管的有源層。
4.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體移相器，其特征在于還進(jìn)一步包含一個(gè)第一控制端(CONT1)，與所述的第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極相連；和一個(gè)第二控制端(CONT2)，與所述的第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極相連。
5.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體移相器，其特征在于每一個(gè)所述的第一和第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管均由一個(gè)AlGaAs異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體移相器，其特征在于每一個(gè)所述的第一和第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管均由一個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管構(gòu)成。
7.一種半導(dǎo)體移相器，包含一個(gè)輸入端(IN)；一個(gè)輸出端(OUT)；和一個(gè)高通信號(hào)通路和一個(gè)低通信號(hào)通路，并聯(lián)在所述的輸入端和所述的輸出端之間，所述的高通信號(hào)通路包含一個(gè)第一傳輸線(1a)，與所述的輸入端連接，具有(2n1+1)λ/4，(n1＝0，1，2，…)的有效長(zhǎng)度，其中λ是傳輸信號(hào)的波長(zhǎng)；一個(gè)第二傳輸線(1b)，與所述的輸出端連接，具有(2n2+1)λ/4，(n2＝0，1，2，…)的有效長(zhǎng)度；至少兩個(gè)第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管(3a，3b)，連接在所述的第一和第二傳輸線之間；和至少一個(gè)第三傳輸線(2b)，與所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管和地端相連，所述的第三傳輸線作為電感器，所述的低通信號(hào)通路包含一個(gè)第四傳輸線(5a)，與所述的輸入端連接，具有(2n3+1)λ/4，(n3＝0，1，2，…)的有效長(zhǎng)度；一個(gè)第五傳輸線(5b)，與所述的輸出端連接，具有(2n4+1)λ/4，(n4＝0，1，2，…)的有效長(zhǎng)度；至少一個(gè)第六傳輸線(6a，6b)，連接在所述的第四和第五傳輸線之間，所述的第六傳輸線作為電感器；和至少兩個(gè)第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管(7a，7b，7c)，每個(gè)均與所述的第六傳輸線和地端相連。
8.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體移相器，其特征在于所述的第六傳輸線和所述的第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管由一個(gè)分布參數(shù)場(chǎng)效應(yīng)晶體管構(gòu)成。
9.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體移相器，其特征在于所述的分布參數(shù)場(chǎng)效應(yīng)晶體管包含一個(gè)晶體管，它有一個(gè)柵極和將該柵極夾在中間的第一和第二歐姆極，所述的第一和第二歐姆極的管腳作為所述的分布參數(shù)晶體管的輸入端和輸出端；和一個(gè)圍繞著所述晶體管的有源層。
10.如權(quán)利要求77所述的半導(dǎo)體移相器，其特征在于還進(jìn)一步包含一個(gè)第一控制端(CONT1)，與所述的第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極相連；和一個(gè)第二控制端(CONT2)，與所述的第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極相連。
11.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體移相器，其特征在于每一個(gè)所述的第一和第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管均由一個(gè)AlGaAs異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管構(gòu)成。
12.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體移相器，其特征在于每一個(gè)所述的第一和第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管均由一個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管構(gòu)成。
全文摘要
一種半導(dǎo)體移相器,高通信號(hào)通路和低通信號(hào)通路并聯(lián)連接在輸入端(IN)和輸出端(OUT)之間。至少一個(gè)第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管(3a,3b)連接在第一和第二傳輸線之間,至少兩個(gè)第三傳輸線(2a,2b,2c)每一個(gè)均與第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管和地端相連。至少一個(gè)第六傳輸線(6a,6b)連接在第四和第五傳輸線之間,并且至少兩個(gè)第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管(7a,7b,7c)每一個(gè)均與第六傳輸線和地端相連。每個(gè)第三和第六傳輸線均作為電感器。
文檔編號(hào)H03H11/02GK1230049SQ9812650
公開日1999年9月29日 申請(qǐng)日期1998年12月28日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月26日
發(fā)明者水谷浩 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社