基于GaN HEMT 工艺的单片集成有源准环形器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微波单片集成电路技术领域，特别是一种基于GaNHEMT工艺的单片集 成有源准环形器。
【背景技术】
[0002] 在连续波体制的微波、毫米波系统的收发组件中，环形器作为一个三端口非互易 器件，可以使一个天线同时实现接收和发射信号的功能，有效减小了收发系统的面积。无源 环形器一般由铁氧体材料制成，具有插入损耗低、功率损失小、稳定性高以及功率容量大等 优点，但是它的体积太大，带宽相对较窄，并且难以用于单片集成设计，所以无法适应当今 通信系统集成化、小型化的需求。于是开始出现使用双极结晶体管（BJT)和高电子迁移率 晶体管（HEMT)设计的有源环形器，它们除了具有良好的性能，而且尺寸也很小，所以非常适 用于系统或模块的集成化技术。
[0003] 在基于微波单片集成电路（丽1C)的有源环形器中，互补型金属氧化物半导体 (CMOS)工艺因为较低的功率损耗而被广泛使用，但是如文献1 (H.S.Wu，C.W.Wang，and C.K.C.Tzuang,"CMOSactivequasi-circulatorwithdualtransmissiongains incorporatingfeedforwardtechniqueatK-band，，'IEEETrans.Microw.Theory Tech. ,vol. 58,no. 8,pp. 2084 - 2091,Aug. 2010.)和文献 2 (D.Huang，J.Kuo,and H.Wang，"A24_GHzlowpowerandhighisolationactivequasi-circulator，''2012IEEE MTT-SInternationalMicrowaveSymposiumDigest,Montreal,Canada,Jun. 2012,p p. 1 -3.)所述，基于CMOS工艺的有源环行器在ldB压缩点的功率容量普遍较小，而环行器 通常处于功率放大器之后，因此在T/R模块等大功率应用中将无法承受功率放大器输出端 的功率。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种电路面积小、功率容量大的基于GaNHEMT工艺的单片 集成有源准环形器。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于GaNHEMT工艺的单片集成有源准 环形器，包括顺次相连的发射支路功率放大器、集总式功分器和接收支路功率放大器，该三 个电路均采用AlGaN/GaNHEMT工艺加工于一个单片上；
[0006] 所述发射支路功率放大器从发射端口开始包括顺次连接的第一输入匹配电路、第 一稳定电路、第一氮化镓晶体管GaNHEMT1和第一输出匹配电路：其中第一稳定电路的输 出端与第一氮化镓晶体管GaNHEMT1的栅极连接，且第一稳定电路与第一氮化镓晶体管GaN HEMT1栅极的公共端通过第一栅极偏置电阻Rggl与第一栅极偏压输入端Vggl相连；第一氮化 镓晶体管GaNHEMT1的源极接地；第一氮化镓晶体管GaNHEMT1的漏极与第一漏极偏压输 入端Vddl相连，且第一氮化镓晶体管GaNHEMT1的漏极与第一漏极偏压输入端Vddl的公共端 与第一输出匹配电路的输入端连接；所述第一输出匹配电路的输出端与集总式功分器的第 一功分端口Ji相连；所述集总式功分器的合成端口即为天线端口；
[0007] 所述接收支路功率放大器的结构与发射支路功率放大器相同，从集总式功分器的 第二功分端口 开始包括顺次连接的第二输入匹配电路、第二稳定电路、第二氮化镓晶体 管GaNHEMT2和第二输出匹配电路：其中第二稳定电路的输出端与第二氮化镓晶体管GaN HEMT2的栅极连接，且第二稳定电路与第二氮化镓晶体管GaNHEMT2栅极的公共端通过第 二栅极偏置电阻Rgg2与第二栅极偏压输入端Vgg2相连；第二氮化镓晶体管GaNHEMT2的源 极接地；第二氮化镓晶体管GaNHEMT2的漏极与第二漏极偏压输入端Vdd2相连，且第二氮化 镓晶体管GaNHEMT2的漏极与第二漏极偏压输入端Vdd2的公共端与第二输出匹配电路的输 入端连接；所述第二输出匹配电路的输出端接入接收端口。
[0008] 本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1)融合了先进的AlGaN/GaNHEMT工 艺，采用集总元件设计威尔金森功分器，有效的减小了系统面积；（2)实现了电路尺寸的集 成化，便于系统或模块设计，结构设计简单易行；（3)电路的功率容量更大，适用于大功率 应用，前景广阔。
【附图说明】
[0009] 图1为本发明基于GaNHEMT工艺的单片集成有源准环形器的原理示意图。
[0010] 图2为本发明单片集成有源准环形器的传输增益测试结果图。
[0011] 图3为本发明单片集成有源准环形器的回波损耗测试结果图。
[0012] 图4为本发明单片集成有源准环形器的隔离度测试结果图。
[0013] 图5为本发明单片集成有源准环形器的功率测试结果图。
【具体实施方式】
[0014] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
[0015] 结合图1，本发明基于GaNHEMT工艺的单片集成有源准环形器，包括顺次相连 的发射支路功率放大器1、集总式功分器2和接收支路功率放大器3,该三个电路均采用 AlGaN/GaNHEMT工艺加工于一个单片上；
[0016] 所述发射支路功率放大器1从发射端口开始包括顺次连接的第一输入匹配电路 4、第一稳定电路5、第一氮化镓晶体管GaNHEMT1和第一输出匹配电路6 :其中第一稳定电 路5的输出端与第一氮化镓晶体管GaNHEMT1的栅极连接，且第一稳定电路5与第一氮化 镓晶体管GaNHEMT1栅极的公共端通过第一栅极偏置电阻Rggl与第一栅极偏压输入端Vggl 相连；第一氮化镓晶体管GaNHEMT1的源极接地；第一氮化镓晶体管GaNHEMT1的漏极与 第一漏极偏压输入端Vddl相连，且第一氮化镓晶体管GaNHEMT1的漏极与第一漏极偏压输 入端Vddl的公共端与第一输出匹配电路6的输入端连接；所述第一输出匹配电路6的输出 端与集总式功分器2的第一功分端口1相连；所述集总式功分器2的合成端口即为天线端 n；
[0017] 所述接收支路功率放大器3的结构与发射支路功率放大器1相同，从集总式功分 器2的第二功分端口 1开始包括顺次连接的第二输入匹配电路7、第二稳定电路8、第二氮 化镓晶体管GaNHEMT2和第二输出匹配电路9 :其中第二稳定电路8的输出端与第二氮化 镓晶体管GaNHEMT2的栅极连接，且第二稳定电路8与第二氮化镓晶体管GaNHEMT2栅极的 公共端通过第二栅极偏置电阻Rgg2与第二栅极偏压输入端Vgg2相连；第二氮化镓晶体管GaN HEMT2的源极接地；第二氮化镓晶体管GaNHEMT2的漏极与第二漏极偏压输入端Vdd2相连， 且第二氮化镓晶体管GaNHEMT2的漏极与第二漏极偏压输入端Vdd2的公共端与第二输出匹 配电路9的输入端连接；所述第二输出匹配电路9的输出端接入接收端口。
[0018] 所述第一输入匹配电路4包括第一电感Q、第二电感L2、第一电容Q，其中第一电 感U的一端与发射端口相连，第一电感Q的另一端与第二电感L2的一端连接，第二电感L2 的另一端接地，第一电感U与第二电感L2的公共端与第一电容Q的一端连接，第一电容Q 的另一端与第一稳定电路5的输入端相连。
[0019] 所述第一稳定电路5包括并联的第一电阻札和第二电容C2，第一电阻札和第二电 容C2的一个公共端与第一输入匹配电路4中的第一电容Q连接，另一个公共端与第一氮化 镓晶体管GaNHEMT1的栅极连接。
[0020] 所述第一输出匹配电路6包括第三电感L3、第三电容C3和第四电容C4，其中第三 电感L3的一端与第一氮化镓晶体管GaNHEMT1的漏极连接，第三电感1^的另一端与第三 电容C3的一端相连接，第三电容C3的另一端接地，第三电感L3与第三电容C3的公共端与第 四电容C4的一端连接，第四电容C4的另一端与集总式功分器2的第一功分端口 1连接。
[0021] 所述集总式功分器2包括第四电感L4、第五电感L5、第五电容C5、第六电容C6、第七 电容C7和隔离电阻RPD :其中第五电容C5的一端接地，第五电容C5的另一端与第四电容C4 即第一功分端口Ji相连；第五电容c5与第四电容C4的公共端分别与隔离电阻RPD的一端、 以及第四电感L4的一端相连；第四电感L4的另一端与天线端口连接，第四电感L4与天线端 口的公共端分别与第六电容c6的一端、以及第五电感1^5的一端连接，第六电容c6的另一端 接地，第五电感L5的另一端与隔离电阻RPD的另一端连接，第五电感L5与隔离电阻RPD的公 共端为集总式功分器2的第二功分端口J2，该第二功分端口J2与第七电容C7的一端相连， 第七电容c7的另一端接地。
[0022] 所述第二输入匹配电路7包括第六电感L6、第七电感L7、第八电容C8，其中第六电 感L6的一端与集总式功分器2的第二功分端口J2相连，第六电感L6的另一端与第七电感 L7的一端连接，第七电感L7的另一端接地，第六电感L6与第七电感L7的公共端与第八电容 c8的一端相连接，第八电容C8的另一端与第二稳定电路8的的输入端相连。
[0023] 所述第二稳定电路8包括并联的第二电阻R2和第九电容C9，第二电阻R2和第九电 容c9的一个公共端与第二输入匹配电路7中的第八电容C8连接，另一个公共端与第二氮化 镓晶体管GaNHEMT2的栅极连接。
[0024] 所述第二输出匹配电路9包括第八电感L8、第十电容C1(l和第十一电容Cn，其中第 八电感L8的一端与第二氮化镓晶体管GaNHEMT2的漏极连接，第八电感L8的另一端与第十 电容C1(l的一端相连接，第十电容C1(l的另一端接地，第八电感L8与第十电容C1(l的公共端与 第i电容cn的一端连接，第^ 电容cn的另一端即为接收端口。