专利名称：具有并联的高通信号通路和低通信号通路的半导体移相器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在相阵雷达或其类似物中使用的半导体移相器。
在一个第一现有技术半导体移相器中(见Robert V.Garrer，＂宽带二极管移相器(Broad-band Diode Phase Shifters)＂，IEEE Trans.ofMicrowave Theory and Techniques，第MTT-20卷，第5号，第314-323页，1972年5月)，一个T型高通滤波器和一个T型低通滤波器通过调整开关来切换，后文中将进行详述。
但是，在第一现有技术半导体移相器中，因为需要两个控制偏压，所以需要两个开关，造成了很大的插入损失。
在第二现有技术半导体移相器中(见JP-A-1-202007)，仅使用了一个开关。后文中亦将进行详述。
但是，在第二现有技术半导体移相器中，即使传输信号的频率相对于想得到的频率只有微小的相移，相移就会偏离，因此半导体移相器的带宽过窄。
本发明的目的之一是提供一种半导体移相器，它可以减少插入损失，并且有宽广的工作带宽和增加的反回损失(return loss)。
依照本发明，在半导体移相器中，在输入端口和输出端口之间并联了一个高通信号通路和一个低通信号通路。高通信号通路由第一和第二传输线构成，该第一和第二传输线连接在输入和输出端口之间，具有λ/4的有效长度，其中λ是传输信号的波长，在第一和第二传输线之间至少连接了一个第一场效应晶体管，并且至少有两个第三传输线分别与第一场效应晶体管和地端相连。低通信号通路由第四和第五传输线构成，该第四和第五传输线连接在输入和输出端口之间，具有λ/4的有效长度，在第四和第五传输线之间至少连接了一个第六场效应晶体管，并且至少有两个第二场效应晶体管分别连接在第六传输线和地端之间。每个第三和第六传输线均作为电感器。
通过以下的详细说明将会更清楚的理解本发明，与现有技术相比较，参照附图，其中
图1是一个电路图，示出了第一现有技术半导体移相器；图2是一个电路图，示出了第二现有技术半导体移相器；图3A和图3B是图2中的半导体移相器的等效电路图，其中高通信号通路被激活，低通信号通路未被激活；图4是图2中的半导体移相器的等效电路图。其中低频信号通路被激活，高通信号通路未被激活；图5是一个电路图，示出了依照本发明的第一实施例的电路图；图6A和图6B是图5中的半导体移相器的等效电路图；图7是一个曲线图，示出了图5中的半导体移相器的移相特性；图8是一个电路图，示出了依照本发明的第二实施例的电路图；图9A和图9B是图8中的半导体移相器的等效电路图；图10是一个曲线图，示出了图8中的半导体移相器的移相特性；图11是一个电路图，是出了依照本发明的的第三实施例2的电路图；图12是一个曲线图，示出了图11中的半导体移相器的移相特性；和图13是一个电路图，示出了图5中的半导体移相器的变型。
在对优选实施例进行详细描述前，将参照图1，2，3A和4，对现有技术半导体移相器进行解释。
在图1中，示出了第一现有技术半导体移相器(见Robert V.Garrer，＂Broad-band Diode Phase Shifters＂(《宽带二极管移相器》)，IEEE Trans.ofMicrowave Theory and Techniques，第MTT-20卷，第5号，第314-323页，1972年5月)，一个T型高通滤波器101和一个T型低通滤波器102通过调整开关103和104来切换。高通滤波器101由串接的电容器1011和1012以及一个旁路电感器1013构成，用来提供相位前移。低通滤波器102由串接的电感器1021和1022以及一个旁路电容器1023构成，用来提供相位迟延。符号IN用来表示输入端口，符号OUT用来表示输出端口。
在图1中，当高通滤波器101被激活而低通滤波器102未被激活的情况下，无线频率信号的相位φH可以表示为φH＝tan-1{(B+2X-BX2)/2(1-BX)} (1)其中X是一个标准电抗；和B是一个标准电纳。
另一方面，在图1中，当低通滤波器102被激活而高通滤波器101未被激活的情况下，相位φL可以表示为φL＝tan-1{-(B+2X-BX2)/2(1-BX)}(2)因此，根据等式(1)和(2)，相移Δφ为Δφ＝φH-φL＝2tan-1{-(B+2X-BX2)/2(1-BX)} (3)但是，在图1中的半导体移相器中，需要两个控制偏压，即需要开关103和104，这就产生了很大的插入损失。
在图2中，示出了第二现有技术半导体移相器(见JP-A-1-202007)，其中只使用了一个控制偏压。即，使用了串接的电感器201和202，旁路电容器203和旁路电感器204。而且，由一个场效应晶体管(FET)构成的开关205连接在电感器201和202之间，由一个FET构成的开关206与旁路电感器204串接在一起。FET205和206由加在控制端CONT的电压控制。
在图2中，当FET205和206导通时，电感器201和202的两端被短路，图2中的电路变为如图3A中所示出的T型高通滤波器。在这种情况下，如果选择电容器203的电容C和电感器204的电感L，使之形成一个具有想得到的频率f0的振荡回路，即f0=1/(2πLC)---(4)]]>那么，图2中的电路可以用如图3B中所示出的简单电路来代表。
另一方面，在图2中，当FET205和206截止时，图2中的电路用如图4所示出的T型低通滤波器来代表。
因此，根据等式(4)，相移Δφ为Δφ=2πf0LC---(5)]]>但是，在图2中的半导体移相器中，即使传输信号的频率从想得到的频率f0偏移了一点，相移Δφ就产生了偏离，因此图2中的半导体移相器是窄带宽的。
在图5中，示出了本发明的第一优选实施例，一个高通信号通路由传输线1a和1b构成，该传输线1a和1b具有λ/4，3λ/4，5λ/4，…，的有效长度，其中λ是传输信号的波长，传输线2a，2b和2c作为电感器，由FET3a和3b构成的开关连接在传输线1a和1b之间并且经一个隔离电阻4被控制端CONT1的电压控制。
而且，一个低通信号通路由传输线5a和5b构成，该传输线5a和5b具有λ/4，3λ/4，5λ/4，…，的有效长度，传输线6a作为电感器并且连接在传输线5a和5b之间，由FET7a和7b构成的开关分别与传输线5a和5b相连，并且经一个隔离电阻8被控制端CONT2的电压控制。
通常地，应注意每个传输线1a，1b，5a和5b的有效长度可能相互不同，它们可以表示如下(2n+1)λ/4 其中n等于0，1，2，…在图5中，当FET3a和3b被控制端CONT1的电压截止并且FET7a和7b被控制端CONT2的电压导通时，图5中的电路变为如图6A中所示的高通滤波器，来提供位相前移。在这种情况下，传输线5a和5b被接地，因此没有反射由之产生。
另一方面，在图5中，当FET3a和3b被控制端CONT1的电压导通并且FET7a和7b被控制端CONT2的电压截止时，图5中的电路变为如图6B中所示的低通滤波器，来提供位相迟延。在这种情况下，传输线1a和1b被接地，因此没有反射由之产生。
在图5中的半导体移相器中，因为FET3a，3b，7a和7b作为电感器并且作为切换高频信号通路和低频信号通路的开关，则图1中的半导体移相器中的开关103和104就不再需要，因此减少了插入损失。
在图5中的半导体移相器的一个例子中，FET3a，3b，7a和7b是AlGaAs异质结FET(AlGaAs heterojunction FET)，其栅长度为0.15μm，栅宽度为190μm。在这种情况下，当该FET截止时，电容为40fF，当该FET导通时，导通电阻为8Ω。传输线1a和1b均是微波带传输线，其宽度为10μm且长度为280μm，传输线2a，2b，和2c均是微波带传输线，其宽度为10μm且长度为190μm。而且，传输线5a和5b是微波带传输线，其宽度为10μm且长度为350μm。而且，传输线6a是微波带传输线，其宽度为10μm且长度为260μm。以上提到的图5中的半导体移相器的例子，其相位特性如图7所示。即，在77GHz的位置相移为43.4°。而且，在从70GHz至80GHz的宽带宽范围内达到了好的相移。进一步的，在77GHz处的插入损失较小，为1.2dB，在77GHz处的返回损失较大，为25dB。
在图8中示出了本发明的第二优选实施例，传输线6b与图5中的传输线6a具有相同的结构，开关由与FET7a和FET7b具有相同结构的FET7c构成，该传输线6b和该开关被加入图5中的低通信号通路。
在图8中，当FET3a和3b被控制端CONT1的电压截止并且FET7a，7b和7c被控制端CONT2的电压导通时，图8中的电路变为如图9A所示的高通滤波器，来提供相位前移。在这种情况下，传输线5a和5b被接地，因此没有反射由之产生。
另一方面，在图8中，当FET3a和3b被控制端CONT1的电压导通并且FET7a，7b和7c被控制端CONT2的电压截止时，图8中的电路变为如图9B所示的低通滤波器，来提供相位延迟。在这种情况下，传输线1a和1b被接地，因此没有反射由之产生。
而且，在图8中的半导体移相器中，因为FET3a，3b，7a，7b和7c作为电感器同时作为用于切换高通信号通路和低通信号通路的开关，因此图1中的半导体移相器中的开关103和104就不再需要，这就减少了插入损失。
与以上提到的例子具有相同的尺寸特性的图8中的半导体移相器的相位特性如图10所示。即，在频率为75GHz处的相移为93.3°。而且，在从70GHz至80GHz的宽带宽范围内得到了好的相移特性。进一步的，在75GHz处的插入损失较小，为小于1.3dB，在75GHz处的返回损失较大，为大于22dB。
在图11中示出了本发明的第三优选实施例，使用了一个分布参数FET9来取代图8中的传输线6a和6b以及FET7a，7b和7c。分布参数FET9由一个晶体管构成，该晶体管包含一个栅极和将该栅极夹在中间的第一和第二两个欧姆极以及围绕晶体管的活动层，其中第一欧姆极接地，第二欧姆极的管脚作为FET9的输入和输出端。分布FET9的栅极经过隔离电阻8与控制端CONT2相连。
在图11中的半导体移相器的一个例子中，FET3a和FET3b均为AlGaAs异质结FET，其栅长度为0.15μm，栅宽度为100μm。在这种情况下，当FET截止时，电容为40fF，而当FET导通时，导通电阻为8ou。传输线1a和1b均是微波传输带线，其宽度为10μm且长度为280μm，传输线2a，2b，和2c均是微波传输带线，其宽度为10μm且长度为190μm。而且，传输线5a和5b是微波传输带线，其宽度为10μm且长度为190μm。而且，分布参数FET9的漏极宽度为30μm栅极长度为400μm。图11中的半导体移相器的以上例子，其相位特性如图12所示。即，在频率为77GHz处的相移为24.8°。而且，在从70GHz至80GHz的宽带宽范围内得到了好的相移。进一步的，77GHz处的插入损失较小，为小于1.4dB，而且77GHz处的返回损失较大，为大于23dB。
在以上提到的各实施例中，尽管在高通信号通路中使用了三个传输线2a，2b和2c以及两个FET 3a和3b，实际上，在其中也可以使用二、四或者更多的传输线以及一、三或者更多的FET。同样的，在第一和第二实施例中，尽管在低通信号通路中使用了一个或两个传输线6a，6b以及两个或三个FET 7a，7b和7c，实际上，在其中也可以使用三个或者更多的传输线以及四个或者更多的FET。而且，各FET可以由MOSFET构成。
而且，本发明可以应用于如图13所示的具有T型高通滤波器的半导体移相器中。
依照本发明，如以上所解释的，插入损失得到了降低，得到了宽带宽的工作范围。更进一步的，返回损失得到了增加。
权利要求
1.一种半导体移相器，包含一个输入端(IN)；一个输出端(OUT)；和一个高通信号通路和一个低通信号通路，并联在所述的输入端和所述的输出端之间，所述的高通信号通路包含一个第一传输线(1a)，与所述的输入端连接，具有(2n1+1)λ/4，(n1＝0，1，2，…)的有效长度，其中λ是传输信号的波长；一个第二传输线(1b)，与所述的输出端连接，具有(2n2+1)λ/4，(n2＝0，1，2，…)的有效长度；至少一个第一场效应晶体管(3a，3b)，连接在所述的第一和第二传输线之间；和至少两个第三传输线(2a，2b，2c)，每个均与所述的场效应晶体管和地端相连，所述的第三传输线均作为电感器，所述的低通信号通路包含一个第四传输线(5a)，与所述的输入端连接，具有(2n3+1)λ/4，(n3＝0，1，2，…)的有效长度；一个第五传输线(5b)，与所述的输出端连接，具有(2n4+1)λ/4，(n4＝0，1，2，…)的有效长度；至少一个第六传输线(6a，6b)，连接在所述的第四和第五传输线之间，所述的第六传输线作为电感器；和至少两个场效应晶体管(7a，7b，7c)，每个均与所述的第六传输线和地端相连。
2.如权利要求1所述的半导体移相器，其特征在于所述的第六传输线和所述的第二场效应晶体管由一个分布参数场效应晶体管构成。
3.如权利要求1所述的半导体移相器，其特征在于所述的分布参数场效应晶体管包含一个晶体管，它有一个栅极和将该栅极夹在中间的第一和第二欧姆极，所述的第一和第二欧姆极的管脚作为所述的分布参数晶体管的输入端和输出端；和一个围绕着所述晶体管的有源层。
4.如权利要求1所述的半导体移相器，其特征在于还进一步包含一个第一控制端(CONT1)，与所述的第一场效应晶体管的栅极相连；和一个第二控制端(CONT2)，与所述的第二场效应晶体管的栅极相连。
5.如权利要求1所述的半导体移相器，其特征在于每一个所述的第一和第二场效应晶体管均由一个AlGaAs异质结场效应晶体管构成。
6.如权利要求1所述的半导体移相器，其特征在于每一个所述的第一和第二场效应晶体管均由一个MOS场效应晶体管构成。
7.一种半导体移相器，包含一个输入端(IN)；一个输出端(OUT)；和一个高通信号通路和一个低通信号通路，并联在所述的输入端和所述的输出端之间，所述的高通信号通路包含一个第一传输线(1a)，与所述的输入端连接，具有(2n1+1)λ/4，(n1＝0，1，2，…)的有效长度，其中λ是传输信号的波长；一个第二传输线(1b)，与所述的输出端连接，具有(2n2+1)λ/4，(n2＝0，1，2，…)的有效长度；至少两个第一场效应晶体管(3a，3b)，连接在所述的第一和第二传输线之间；和至少一个第三传输线(2b)，与所述的场效应晶体管和地端相连，所述的第三传输线作为电感器，所述的低通信号通路包含一个第四传输线(5a)，与所述的输入端连接，具有(2n3+1)λ/4，(n3＝0，1，2，…)的有效长度；一个第五传输线(5b)，与所述的输出端连接，具有(2n4+1)λ/4，(n4＝0，1，2，…)的有效长度；至少一个第六传输线(6a，6b)，连接在所述的第四和第五传输线之间，所述的第六传输线作为电感器；和至少两个第二场效应晶体管(7a，7b，7c)，每个均与所述的第六传输线和地端相连。
8.如权利要求7所述的半导体移相器，其特征在于所述的第六传输线和所述的第二场效应晶体管由一个分布参数场效应晶体管构成。
9.如权利要求7所述的半导体移相器，其特征在于所述的分布参数场效应晶体管包含一个晶体管，它有一个栅极和将该栅极夹在中间的第一和第二欧姆极，所述的第一和第二欧姆极的管脚作为所述的分布参数晶体管的输入端和输出端；和一个围绕着所述晶体管的有源层。
10.如权利要求77所述的半导体移相器，其特征在于还进一步包含一个第一控制端(CONT1)，与所述的第一场效应晶体管的栅极相连；和一个第二控制端(CONT2)，与所述的第二场效应晶体管的栅极相连。
11.如权利要求7所述的半导体移相器，其特征在于每一个所述的第一和第二场效应晶体管均由一个AlGaAs异质结场效应晶体管构成。
12.如权利要求1所述的半导体移相器，其特征在于每一个所述的第一和第二场效应晶体管均由一个MOS场效应晶体管构成。
全文摘要
一种半导体移相器,高通信号通路和低通信号通路并联连接在输入端(IN)和输出端(OUT)之间。至少一个第一场效应晶体管(3a,3b)连接在第一和第二传输线之间,至少两个第三传输线(2a,2b,2c)每一个均与第一场效应晶体管和地端相连。至少一个第六传输线(6a,6b)连接在第四和第五传输线之间,并且至少两个第二场效应晶体管(7a,7b,7c)每一个均与第六传输线和地端相连。每个第三和第六传输线均作为电感器。
文档编号H03H11/02GK1230049SQ9812650
公开日1999年9月29日 申请日期1998年12月28日 优先权日1997年12月26日
发明者水谷浩 申请人:日本电气株式会社