数字移相器的制作方法

本发明涉及移相器领域，具体而言，涉及一种数字移相器。

背景技术：

移相器(phaseshifter)是能够对传输信号的相位进行调整的一种装置。随着有源相控雷达等应用向着微型化和实用化的方向发展，对其发射器和接收器(transmitterandreceiver，简称为t/r)组件中各个组成单元电路的研究也愈加深入，在集成度和成本上提出了越来越高的要求，尤其是作为关键电路之一的移相器，由于其电路复杂，精度要求高，占用面积大，技术指标较多，设计和制作难度较大，一直是t/r组件中成本最高的电路之一。

目前，主要采用单片微波集成电路(monolithicmicrowaveintegratedcircuit，简称为mmic)技术来设计和制作移相器，以提高收发组件的集成度，降低成本，同时保证高成品率及产品的一致性。现有的移相器，主要采用砷化镓(gaas)的高电子迁移率晶体管(highelectronmobilitytransistor，简称为hemt)来制备。

但目前大多采用加载线型的拓扑结构，该结构由于需要引入λ/4微带线，功率容限低，不利于移相器集成度、缩小面积以及大相移度数的要求，随着对移相器性能以及集成度的要求的提高，需要制备出更高性能的移相器。

针对相关技术中数字移相器功率容限低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种数字移相器，以解决数字移相器功率容限低的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种数字移相器，该数字移相器包括：第一开关电路；第二开关电路；低通滤波电路，低通滤波电路的第一端与第一开关电路的第一端连接，低通滤波电路的第二端与第二开关电路的第一端连接；以及高通滤波电路，高通滤波电路的第一端与第一开关电路的第二端连接，高通滤波电路的第二端与第二开关电路的第二端连接，其中，第一开关电路或第二开关电路包括：场效应晶体管，其中，场效应晶体管为gan基异质结晶体管，场效应晶体管中每个场效应晶体管的栅极均与自身的半导体层形成肖特基接触，场效应晶体管中每个场 效应晶体管的源、漏电极均与自身的半导体层形成欧姆接触。

进一步地，第一开关电路和第二开关电路均包括四个场效应晶体管，其中，四个场效应晶体管形成两条支路，每条支路包含两个并联接地的场效应晶体管，第一开关电路和第二开关电路的等效电路均为单刀双掷开关电路。

进一步地，gan基异质结晶体管为gan层和algan层异质结场效应晶体管。

进一步地，在gan基异质结晶体管的gan层和algan层之间还具有aln的插入层。

进一步地，gan基异质结晶体管为高电子迁移率场效应晶体管。

进一步地，gan基异质结晶体管的衬底为sic。

进一步地，该数字移相器还包括微带线，与场效应晶体管连接。

进一步地，场效应晶体管的栅极长度为0.25微米，栅极宽度为2×100微米。

进一步地，该数字移相器还包括偏置线，用于为场效应晶体管提供偏置电压，其中，偏置电压为0v或-10v。

进一步地，数字移相器的相移量为45°，90°或180°。

本发明通过第一开关电路；第二开关电路；低通滤波电路，低通滤波电路的第一端与第一开关电路的第一端连接，低通滤波电路的第二端与第二开关电路的第一端连接；以及高通滤波电路，高通滤波电路的第一端与第一开关电路的第二端连接，高通滤波电路的第二端与第二开关电路的第二端连接，其中，其中，第一开关电路或第二开关电路包括：场效应晶体管，其中，场效应晶体管为gan基异质结晶体管，场效应晶体管中每个场效应晶体管的栅极均与自身的半导体层形成肖特基接触，场效应晶体管中每个场效应晶体管的源、漏电极均与自身的半导体层形成欧姆接触，解决了相关技术中移相器功率容限低的的问题，进而达到了提高移相器功率容限的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明第一实施例的数字移相器的示意图；

图2是根据本发明第二实施例的数字移相器的示意图；

图3是根据本发明实施例的场效应晶体管的示意图；

图4是根据本发明实施例的数字移相器的频率-相移仿真结果示意图；

图5是根据本发明第一实施例的数字移相器输入输出端口间频率-插入损耗仿真示意图；

图6是根据本发明第二实施例的数字移相器输入输出端口间频率-插入损耗仿真示意图；

图7是根据本发明第三实施例的数字移相器输入输出端口间频率-插入损耗仿真示意图；以及

图8是根据本发明实施例的数字移相器输出功率与gaas同相位移相器输出功率的实测对比示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明实施例提供了一种数字移相器。

图1是根据本发明第一实施例的数字移相器的示意图，如图1所示，该数字移相器包括：

第一开关电路10；

第二开关电路20；

其中，第一开关电路或第二开关电路包括：场效应晶体管，其中，场效应晶体管为gan基异质结晶体管，场效应晶体管中每个场效应晶体管的栅极均与自身的半导体层形成肖特基接触，场效应晶体管中每个场效应晶体管的源、漏电极均与自身的半导体层形成欧姆接触。

第一开关电路或者第二开关电路中的多个场效应晶体管可以全部或者部分是gan基异质结晶体管，场效应晶体管中的每个的栅极均与自身的半导体层形成肖特基接触，源、漏电极均与自身的半导体层形成欧姆接触。

优选地，第一开关电路和第二开关电路中的多个场效应晶体管全部采用gan基异质结晶体管，每个的栅极均与自身的半导体层形成肖特基接触，源、漏电极均与自身的半导体层形成欧姆接触，能够使得数字移相器的性能更优。

第一开关电路和第二开关电路中，多个场效应晶体管中的一个或者某几个或者全部为gan基异质结晶体管都包含在本发明的保护范围之内。

低通滤波电路30，低通滤波电路的第一端与第一开关电路10的第一端连接，低通滤波电路的第二端与第二开关电路20的第一端连接；

高通滤波电路40，高通滤波电路的第一端与第一开关电路10的第二端连接，高通滤波电路的第二端与第二开关电路20的第二端连接。

在本发明实施例中，第一开关电路10和第二开关电路20可以都包括四个场效应晶体管，其中，每个场效应晶体管都是gan基异质结晶体管，四个晶体管的材料和结构可以完全相同，也可以有一些较小的区别。gan基异质结可以是gan与多种材料掺杂制备成的半导体层。场效应晶体管的栅极与半导体层形成肖特基接触，例如，肖特基接触电极可以是ni、au材料的叠层。场效应晶体管的源、漏电极与场效应晶体管的半导体层形成欧姆接触，欧姆接触电极可以是ti、al材料或者ti、au材料的叠层。

本发明实施例通过采用gan基异质结晶体管作为数字移相器的场效应晶体管，能够提高数字移相器的移相精度，同时也提高了数字移相器的功率容限。该移相器可以工作在高温大功率等恶劣条件下，可以获得大相位的移相度数，提高频段内移相精度，降低频段内相位误差，进一步改善雷达收发组件的性能，提高功率容限，提高集成度。

图2是根据本发明第二实施例的数字移相器的示意图，该实施例可以作为上述第一实施例的优选实施方式，如图2所示，该数字移相器包括：

第一开关电路10；

第二开关电路20；

第一开关电路10和第二开关电路20均包括：四个场效应晶体管，场效应晶体管作为开关器件，为纯并联结构，其中，场效应晶体管为gan基异质结晶体管，场效应晶体管的栅极与场效应晶体管的半导体层形成肖特基接触，场效应晶体管的源、漏电极与场效应晶体管的半导体层形成欧姆接触。

低通滤波电路30，低通滤波电路30的第一端与第一开关电路10的第一端连接，低通滤波电路30的第二端与第二开关电路20的第一端连接。

低通滤波电路30包括：第一自感线圈，第二自感线圈和第一电容，第一自感线圈的第一端与第一开关电路10的第一端连接，第一自感线圈的第二端与第二自感线圈的第一端以及第一电容的第一端连接，第一电容的第二端接地，第二自感线圈的第二端与第二开关电路20的第一端连接。

高通滤波电路40，高通滤波电路40的第一端与第一开关电路10的第二端连接，高通滤波电路40的第二端与第二开关电路20的第二端连接。高通滤波电路40包括第三自感线圈和第四自感线圈和第二电容，其中，第三自感线圈的第一端与第一开关电路10的第二端以及第二电容的第一端连接，第三自感线圈的第二端接地，第二电容的第二端与第四自感线圈的第一端以及第二开关电路20的第二端连接，第四自感线圈的第二端接地。

该数字移相器采用高低通式的电路拓扑，优选地，四个场效应晶体管的材料和结构完全相同，四个场效应晶体管形成两条支路，每条支路包含两个并联接地的场效应晶体管，例如，第一开关电路10的第一场效应晶体管和第二场效应晶体管并联接地，第一场效应晶体管的第一极和第二场效应晶体管的第一极连接，并与低通滤波电路30的第一自感线圈连接，第一场效应晶体管的第二极和第二场效应晶体管的第二极都接地。第三场效应晶体管和第四场效应晶体管并联接地，其中，第三场效应晶体管的第一极和第四场效应晶体管的第一极连接，并与高通滤波电路40的第一端连接，第三场效应晶体管的第二极与第四场效应晶体管的第二极接地。在数字移相器工作时，第一场效应晶体管和第二场效应晶体管的工作状态相同，第三场效应晶体管和第四场效应晶体管的工作状态相同，当第一场效应晶体管和第二场效应晶体管开启时，第三场效应晶体管和第四场效应晶体管关闭；反之，当第一场效应晶体管和第二场效应晶体管关闭时，第三场效应晶体管和第四场效应晶体管开启，因此第一开关电路10的等效电路为单刀双掷开关电路。通过上下两条支路中场效应晶体管的导通关闭的不同状态，实现信号在不同支路上的传播，即形成不同相位的切换。

在本实施例中，相移量为180°，低通滤波电路30实现对相位的滞后，高通滤波电路40实现对相位的超前。两路传输网络的相移量随频率变化，在一定频段内其相移变化斜率相等，因而实现180°相位差在所需频段内的稳定。分支点到场效应晶体管 器件之间由微带线50和60连接，通过对微带线50和60的调试，从而实现良好的匹配。

第二开关电路20与第一开关电路10的结构相同，第二开关电路20的等效电路也为单刀双掷开关。

第一场效应晶体管的第一端、第二场效应晶体管的第一端还与第一微带线50的第一端连接，第三场效应晶体管的第一端和第四场效应晶体管的第一端与第一微带线50的第二端连接。

第二开关电路20的场效应晶体管与第二微带线60的连接方式与第一开关电路10的相同。其中，第一微带线50与第二微带线60相同。

优选地，gan基异质结晶体管为gan层和algan层异质结场效应晶体管，更进一步地，在gan基异质结晶体管的gan层和algan层之间还具有aln的插入层，通过添加aln的插入层能够促进二维电子气激发，以实现更好的场效应晶体管性能，提高移相器功率容限，进而提升数字移相器的性能。

可选地，gan基异质结晶体管为高电子迁移率场效应晶体管，可以采用顶栅顶接触结构，也可以采用其它结构。gan基异质结晶体管的衬底为sic。具体地，场效应晶体管的栅极长度可以为0.25微米，栅极宽度为2×100微米，其中，为了获得更好的性能，栅极形状可以是s型或者折叠形状，因此可以是以100微米为单位，栅极为两个单位长度。gan基异质结晶体管具有高开关速度、高功率容量、低导通电阻和低功耗等特点，使得移相器可以工作在高温大功率等恶劣的条件下，可以进一步改善雷达收发组件的性能，并能减小器件的体积，提高集成度。

数字移相器还包括偏置线，用于为场效应晶体管提供偏置电压，其中，偏置电压为0v或-10v，偏置电压也可以是其他数值，可以根据实际需要进行调整。

优选地，该数字移相器为基于单片微波集成电路工艺设计的数字移相器，该移相器还包括输入信号电极70和输出信号电极80，其中，输入、输出信号电极可以都为50欧姆端口。其中，该数字移相器还可以设计成芯片，能减小器件的体积，提高功率容限，提高集成度。

通过上述结构和连接，该数字移相器的相移量为180°。

本发明实施例提供的数字移相器，采用gan基异质结的高电子迁移率场效应晶体管作为开关器件，纯并联开关高低通作为其拓扑结构，使其具有高开关速度、高功率容量、高移相度数、高移相精度等特点，使得移相器可以工作在高温大功率等恶劣的条件下，可以进一步改善雷达收发组件的性能，并能减小器件的体积，提高集成度。 同时，gan基高电子迁移率场效应晶体管(highelectronmobilitytransistor，简称为hemt)移相器能够有效地解决现有技术中gaashemt移相器功率容限偏小的问题，从而可以在更大功率下实现移相功能，能够减少功率放大器的使用，从而减小相控阵雷达系统的体积，提高整机的性能。

图3是根据本发明实施例的场效应晶体管的示意图，该场效应晶体管为gan异质结的高电子迁移率场效应晶体管，该晶体管作为数字移相器的开关器件。如图3所示，该场效应晶体管包括衬底102，衬底102上的gan基异质结104，源极区108和漏极区110，以及异质结上的栅电极112和源、漏电极114。

本实施例中，衬底可以为sic衬底。gan基异质结由gan层104和其上的algan层106形成。更优选地，gan层104和algan层106之间还可形成有aln的插入层，以促进二维电子气激发。电极包括肖特基接触电极112和欧姆接触电极114，这两个电极分别同不同的偏置电压线连接，以提供开关器件不同的开关电压值，欧姆接触电极可以是ti、al，ti、au材料的叠层，也可以是其他能够形成欧姆接触的材料，肖特基接触电极可以是ni、au材料的叠层，也可以是其他能够形成欧姆接触的材料。

通过本发明实施例的场效应晶体管应用到数字移相器中，可以提高数字移相器的性能，提高了移相器的功率容限，也提高了移相的精确度，还可以在更大功率下实现移相功能，能够减少功率放大器的使用，从而减小相控阵雷达系统的体积，提高整机的性能。

图4是根据本发明实施例的数字移相器的频率-相移仿真结果示意图。该仿真是通过先进设计系统(advanceddesignsystem，简称为ads)软件模拟的结果，通过软件模拟的结果可以模拟出通过上述的数字移相器能够实现的移相结果。如图4所示，横坐标为频率(freq)，单位为ghz，纵坐标为移向误差(phs_error)，最低点m5的频率为9.170ghz，移相误差最小值为-0.472，最高点m6的频率为10.00ghz，移相误差为0.514，在8.5-10ghz范围内，移相精度为-0.472～0.514度。

图5是根据本发明第一实施例的数字移相器输入输出端口间频率-插入损耗仿真示意图。如图5所示，横坐标为频率(freq)，单位为ghz，纵坐标为移相态插损，db(s(2,1))的谷值m4点在频率为8.700ghz时，移相态插损小于3.016db，db(s(4,3))的谷值m3点在频率为8.500ghz时，参考态插损小于3.028db。

图6是根据本发明第二实施例的数字移相器输入输出端口间频率-插入损耗仿真示意图，如图6所示，横坐标为频率(freq)，单位为ghz，纵坐标为移相态插损，db(s(3,3))的最大值m1点的频率为8.500ghz时，移相态与参考态输入回波损耗均小于-17.991db，图中另一根曲线表示的是db(s(1,1))。

图7是根据本发明第三实施例的数字移相器输入输出端口间频率-插入损耗仿真示意图，如图7所示，横坐标为频率(freq)，单位为ghz，纵坐标为移相态插损，db(s(4,4))的峰值m2点的频率为8.500ghz时，输出回波损耗均小于-18.011db，图中另一根曲线表示的是db(s(2,2))。

图8是根据本发明实施例的数字移相器输出功率与gaas同相位移相器输出功率的实测对比示意图，横坐标为输入功率，单位为dbm，左侧纵坐标为输出功率，单位为dbm，右侧纵坐标为功率压缩，单位为db，其中，圆点形状代表本发明数字移相器功率性能，方点形状代表gaas同相位移相器功率性能。实心标记代表移相器输出功率随输入功率的变化，空心标记代表移相器功率压缩随输入功率的变化。如图8所示，本发明数字移相器在功率压缩为1db时输入功率为35.5dbm，gaas同相位移相器在功率压缩为1db时输入功率为30.4dbm，因此，本发明的数字移相器与现有的gaas移相器相比，能够提高输入功率，进而可以在更大功率下实现移相功能，减少功率放大器的使用，从而减小相控阵雷达系统的体积，提高整机的性能。

上述模拟运行结果证明了该移相器能够在8.5-10ghz频带范围内实现180度的相位移，并且，移相误差小，移相精度较高。同时，模拟运行结果也表明ganhemt移相器能够有效地解决现有技术中gaashemt移相器功率容限偏小的问题，从而可以在更大功率下实现移相功能，能够减少功率放大器的使用，从而减小相控阵雷达系统的体积，提高整机的性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。