CN111106801A - 单片可重构砷化镓低噪声放大器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于低噪声放大器技术领域，涉及一种单片可重构砷化镓低噪声放大器及其制备方法。所述电路包括：片外输入匹配电路和砷化镓单片放大电路；片外输入匹配电路的输入端作为单片可重构砷化镓低噪声放大器的输入端，片外输入匹配电路的匹配端与砷化镓单片放大电路的输入端连接，砷化镓单片放大电路的输出端作为单片可重构砷化镓低噪声放大器的输出端；片外输入匹配电路与砷化镓单片放大电路进行阻抗匹配得到预设噪声系数的单片可重构砷化镓低噪声放大器。本发明将砷化镓单片放大电路的输入匹配网络从片上移至片外，实现了根据工作需求提高输入匹配网络的Q值，降低了低噪声放大器的噪声系数。

Description

单片可重构砷化镓低噪声放大器及其制备方法

技术领域

本发明属于低噪声放大器技术领域，更具体地说，是涉及一种单片可重构砷化镓低噪声放大器及其制备方法。

背景技术

目前砷化镓(GaAs)低噪声放大器的制造工艺有两种途径可以实现，一种利用微波单片集成电路(MMIC)工艺制造的砷化镓低噪声放大器单片；另一种采用微波薄膜混合集成电路工艺设计的砷化镓低噪声放大器。但利用微波单片集成电路工艺制造的砷化镓低噪声放大器单片噪声系数较高，采用微波薄膜混合集成电路工艺设计的砷化镓低噪声放大器的电路尺寸较大。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种单片可重构砷化镓低噪声放大器及其制备方法，以解决现有技术中的砷化镓低噪声放大器噪声系数较高、电路尺寸较大的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种单片可重构砷化镓低噪声放大器，包括：片外输入匹配电路和砷化镓单片放大电路；所述片外输入匹配电路的输入端作为单片可重构砷化镓低噪声放大器的输入端，所述片外输入匹配电路的匹配端与所述砷化镓单片放大电路的输入端连接，所述砷化镓单片放大电路的输出端作为单片可重构砷化镓低噪声放大器的输出端；

所述片外输入匹配电路与所述砷化镓单片放大电路进行阻抗匹配得到预设噪声系数的单片可重构砷化镓低噪声放大器。

进一步的，所述片外输入匹配电路包括：第一电感、第二电感和介质基片；

所述第二电感的第一端作为所述片外输入匹配电路的输入端，所述第二电感的第一端还与所述第一电感的第一端连接，所述第二电感的第二端作为所述片外输入匹配电路的匹配端；所述第一电感的第二端与所述片外输入匹配电路的接地端连接；

所述第二电感和所述第一电感均设置在所述介质基片上；

所述介质基片包括至少两个预设半径的圆形通孔，所述圆形通孔为所述片外输入匹配电路的接地端。

进一步的，所述第二电感包括至少两根金丝；

所述至少两根金丝中的第一金丝的第一端作为所述第二电感的第一端，所述第一金丝的第二端与所述至少两根金丝中的第二金丝的第一端连接，所述第二金丝的第二端作为所述第二电感的第二端。

进一步的，所述至少两根金丝均为Φ25μm键合金丝。

进一步的，所述第一电感包括平面螺旋电感和第三金丝；

所述第三金丝的第一端作为所述第二电感的第一端，所述第三金丝的第二端与所述平面螺旋电感的第一端连接，所述平面螺旋电感的第二端与所述片外输入匹配电路的接地端连接。

进一步的，所述第一电感为Φ25μm键合金丝；

所述Φ25μm键合金丝的第一端作为所述第一电感的第一端，所述Φ25μm键合金丝的第二端与所述片外输入匹配电路的接地端连接。

进一步的，所述介质基片为厚度范围为0.343mm至0.419mm的氧化铝陶瓷基片。

本发明实施例的第二方面提供了一种单片可重构砷化镓低噪声放大器的制备方法，包括：

制备片外输入匹配电路，所述片外输入匹配电路包括输入端和匹配端；

制备砷化镓单片放大电路，所述砷化镓单片放大电路无输入匹配网络，所述砷化镓单片放大电路包括输入端和输出端；

将所述片外输入匹配电路与所述砷化镓单片放大电路进行阻抗匹配得到预设噪声系数，所述片外输入匹配电路的匹配端与所述砷化镓单片放大电路的输入端键合。

进一步的，制备片外输入匹配电路，包括：

在介质基片的一侧制备至少两个预设半径的圆形通孔；

在制备有通孔的介质基片的正面溅射金属层；

利用光刻工艺在溅射金属层的介质基片的正面形成图形化的掩膜层；

对形成图形化的掩膜层的介质基片的正面进行电镀得到接地的平面螺旋电感和阵列的连接点，并将所述介质基片的正面上的掩膜层和掩膜层下面的金属层去除；

在所述阵列的连接点上通过至少两根金丝键合出第二电感，并通过第三金丝将第二电感与平面螺旋电感连接。

进一步的，在制备有通孔的介质基片的正面溅射金属层，包括：

在制备有通孔的介质基片的正面溅射钛钨层；

在介质基片的钛钨层上溅射金层。

本发明实施例中单片可重构砷化镓低噪声放大器及其制备方法与现有技术相比的有益效果在于：电路主要包括片外输入匹配电路和砷化镓单片放大电路，将砷化镓单片放大电路的输入匹配网络从片上移至片外，提高了输入匹配网络的Q值，降低了低噪声放大器的噪声；片外输入匹配电路的输入端作为单片可重构砷化镓低噪声放大器的输入端，片外输入匹配电路的匹配端与砷化镓单片放大电路的输入端连接，砷化镓单片放大电路的输出端作为单片可重构砷化镓低噪声放大器的输出端，片外输入匹配电路与砷化镓单片放大电路进行阻抗匹配得到预设噪声系数的单片可重构砷化镓低噪声放大器，即可以根据工作需求调节或构造片外输入匹配电路和砷化镓单片放大电路之间的噪声系数，实现了砷化镓放大器噪声系数“重构”，适用性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的单片可重构砷化镓低噪声放大器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的片外输入匹配电路的原理示意图；

图3为本发明实施例提供的包括平面螺旋电感和阵列的连接点的介质基板的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的砷化镓单片放大电路的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的单片可重构砷化镓低噪声放大器的制备方法的流程示意图；

图6为图5中步骤S501的具体流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，本发明实施例提供的一种单片可重构砷化镓低噪声放大器，主要包括：片外输入匹配电路100和砷化镓单片放大电路200；片外输入匹配电路100的输入端作为单片可重构砷化镓低噪声放大器的输入端IN，片外输入匹配电路100的匹配端与砷化镓单片放大电路200的输入端连接，砷化镓单片放大电路200的输出端作为单片可重构砷化镓低噪声放大器的输出端OUT。片外输入匹配电路100与砷化镓单片放大电路200进行阻抗匹配得到预设噪声系数的单片可重构砷化镓低噪声放大器。其中砷化镓单片放大电路200为不带输入匹配网络的砷化镓单片放大电路。

砷化镓低噪声放大器的制造工艺主要利用微波单片集成电路工艺制造或微波薄膜混合集成电路工艺制造，分别采用以上两种工艺制造的砷化镓低噪声放大器在外形尺寸及噪声系数方面各有优劣。

利用微波单片集成电路工艺制造的砷化镓低噪声放大器单片其输入端、输出端均已匹配至50欧姆阻抗，用户在使用时只需将外围微波电路也按50欧姆阻抗设计，二者直接级联，实现50欧姆阻抗系统的匹配，完成微波信号的高效传输，所以整个砷化镓低噪声放大器单片的噪声系数优劣完全由该砷化镓低噪声放大器单片的噪声系数水平决定，用户的外围电路无法更进一步优化该噪声系数指标。

实际应用中，砷化镓低噪声放大器的噪声系数主要受其输入端的匹配网络Q值决定，Q值越高，损耗越小，噪声系数就越低。现阶段由于受半导体加工材料及加工工艺发展水平的局限，微波单片集成电路工艺制造的砷化镓低噪声放大器的Q值不如采用微波薄膜混合集成电路工艺设计的砷化镓低噪声放大器的Q值高，这就导致砷化镓低噪声放大器单片的噪声系数无法达到采用微波薄膜混合集成工艺设计的砷化镓低噪声放大器的噪声系数水平。

但微波单片集成电路工艺制造的砷化镓低噪声放大器的外形尺寸远比采用微波薄膜混合集成工艺设计的砷化镓低噪声放大器电路尺寸小，即采用微波单片集成电路工艺制造的砷化镓低噪声放大器单片能够实现较小的电路尺寸但噪声系数较大，而采用微波薄膜混合集成电路工艺制造的砷化镓低噪声放大器能实现较低的噪声系数但电路尺寸较大。

所以本发明将砷化镓低噪声放大器的输入匹配网络从片上移至片外，以提高输入匹配网络的Q值。片外输入匹配电路100采用微波薄膜混合集成电路工艺，例如在氧化铝(AL₂O₃)陶瓷电路基板上使用高Q值的键合金丝完成砷化镓低噪声放大器的输入匹配，可显著地提高其输入匹配网络的Q值，达到既能降低砷化镓低噪声放大器的噪声系数，又减小了砷化镓单片放大电路200的外形尺寸。本实施例的“可重构”式砷化镓低噪声放大器配合片外输入匹配电路100使用，可以重新构造低噪声放大器的噪声系数性能，使得“可重构”式砷化镓低噪声放大器单片的噪声系数优于采用全片上匹配的低噪声放大器单片。

上述单片可重构砷化镓低噪声放大器，将砷化镓单片放大电路200的输入匹配网络从片上移至片外，减小了低噪声放大器的尺寸，提高了输入匹配网络的Q值；片外输入匹配电路100与砷化镓单片放大电路200级联，使用者根据工作需求调节或构造片外输入匹配电路100和砷化镓单片放大电路200之间的噪声系数，实现了砷化镓低噪声放大器噪声系数的“重构”，适用性强。

本实施例的砷化镓单片放大电路200除输入匹配网络以外的所有电路部分利用砷化镓微波单片集成电路工艺集成制备于单片上，具体结构不进行限定，参见图4，砷化镓单片放大电路200包括输入端和输出端，其输出端已匹配至预设阻抗。示例性的，砷化镓单片放大电路200采用微波单片集成电路工艺在4英寸GaAs PHEMT工艺平台流片，采用0.13μm电子束光刻技术，根据工作的频率、增益、噪声系数及输出1dB压缩点功率，合理设计放大管芯的单指栅长、单指栅宽和单胞有源区长度；本实施例为了获得较好的噪声性能，在放大管芯平面结构设计中通过减小放大管芯的栅长和栅源间距以尽量减少寄生参数对噪声系数的影响，降低本征噪声，“可重构”式砷化镓单片放大电路200可见图4，该单片长1.9mm，宽0.9mm。

在一个实施例中，参见图2，片外输入匹配电路100包括：第二电感L2、第一电感L1和介质基片110；第二电感L2的第一端Port1作为片外输入匹配电路100的输入端，第二电感L2的第一端还与第一电感L1的第一端连接，第二电感L2的第二端Port2作为片外输入匹配电路100的匹配端；第一电感L1的第二端与片外输入匹配电路100的接地端连接。

参见图1，第二电感L2和第一电感L1均设置在介质基片110上；介质基片110包括至少两个预设半径R的圆形通孔120，圆形通孔120为片外输入匹配电路100的接地端。片外输入匹配电路100中，作为支路1的第二电感L2与作为支路2的第一电感L1是由阻抗匹配的电路形式决定的，使用者可以根据工作需求设置第二电感L2和第一电感L1的大小。

在一个实施例中，第二电感L2包括至少两根金丝；至少两根金丝中的第一金丝的第一端作为第二电感L2的第一端，第一金丝的第二端与至少两根金丝中的第二金丝的第一端连接，第二金丝的第二端作为第二电感L2的第二端。

可选的，至少两根金丝均为Φ25μm键合金丝。参见图1，第二电感L2可以包括4根金丝，分别为金丝L₁、金丝L₂、金丝L₃和金丝L₄，金丝L₄的第一端作为第二电感L2的第一端，金丝L₁的第二端作为第二电感L2的第二端。Φ25μm的高Q值键合金丝的长度决定了其作为电感的电感量，所以本实施例的高Q值键合金丝的扭曲度、扭曲距离、弧高等参数设置可由键合工序操作人员自主完成，根据产品需求设置Φ25μm的高Q值键合金丝的长度即可。

在一个实施例中，第一电感L1可以包括：平面螺旋电感和第三金丝；第三金丝的第一端作为第二电感L2的第一端，第三金丝的第二端与平面螺旋电感的第一端连接，平面螺旋电感的第二端与片外输入匹配电路100的接地端连接。

可选的，介质基片110为厚度范围为0.343mm至0.419mm的氧化铝陶瓷基片，且氧化铝陶瓷基片的介电常数范围为9.8至10.0。

示例性的，平面螺旋电感是在0.381mm的氧化铝陶瓷基片上通过微波薄膜混合集成电路工艺制作，为片外输入匹配电路100的组成部分。参见图1，第二电感L2和第一电感L1可以通过微波薄膜混合集成电路工艺在0.381mm的氧化铝陶瓷基片上完成，其中第二电感L2通过高Q值键合金丝实现，由于该频段电感量较大，第一电感L1通过微波薄膜混合集成工艺制作的平面螺旋电感和金丝结合实现。

示例性的，参见图3，介质基片110的长度L1＝1.9mm，介质基片110的宽度W1＝1.5mm，介质基片110上阵列的连接点的长度L2＝0.15mm，连接点的宽度W2＝0.15mm，平面螺旋电感的螺旋间隔L3＝0.04mm，平面螺旋电感的第一端的长度L5＝0.11mm，平面螺旋电感的结构总长度L6＝1.19mm，平面螺旋电感的螺旋长度L7＝1.08mm，平面螺旋电感的横向螺旋线W3＝0.04mm，平面螺旋电感的第一端的宽度W5＝0.1mm，片外输入匹配电路100的接地端的宽度L4＝0.5mm，接地端的长度W4＝0.83mm，圆形通孔的预设半径R＝0.15mm。

进一步的，加入键合金丝的片外输入匹配电路100见图1。示例性的，第二电感L2可以由金丝L₁、金丝L₂、金丝L₃和金丝L₄共4根Φ25μm键合金丝构成；第一电感L1由金丝L₅及平面螺旋电感构成，金丝L₅为所述的第三金丝。

可选的，第一电感L1还可以为Φ25μm键合金丝；Φ25μm键合金丝的第一端作为第一电感L1的第一端，Φ25μm键合金丝的第二端与片外输入匹配电路100的接地端连接。

将片外输入匹配电路100和砷化镓单片放大电路200级联后，实际测试结果符合设计预期，取得了较好的实际效果，具体见表1，噪声系数比采用传统全片上匹配的低噪声放大器单片低0.2dB，整个电路尺寸比全部采用微波薄膜混合集成工艺设计的低噪声放大器尺寸减小2/3。本申请的单片可重构砷化镓低噪声放大器达到的技术指标如下表1：

表1：本申请的单片可重构砷化镓低噪声放大器达到的技术指标

序号	参数名称	典型值	单位
				1	频率范围	2.0～4.0	GHz
2	增益	25	dB
				3	驻波比	1.5	—
4	输出1dB压缩功率	13	dBm
				5	噪声系数	0.55	dB
6	工作电流	50	mA

上述实施例中，单片可重构砷化镓低噪声放大器主要包括片外输入匹配电路100和砷化镓单片放大电路200，将砷化镓单片放大电路200的输入匹配网络从片上移至片外，减小了低噪声放大器的尺寸，提高了输入匹配网络的Q值；片外输入匹配电路100的输入端作为单片可重构砷化镓低噪声放大器的输入端IN，片外输入匹配电路100的匹配端与砷化镓单片放大电路200的输入端连接，砷化镓单片放大电路200的输出端作为单片可重构砷化镓低噪声放大器的输出端OUT，片外输入匹配电路100与砷化镓单片放大电路200进行阻抗匹配得到预设噪声系数的单片可重构砷化镓低噪声放大器，即可以根据工作需求调节或构造片外输入匹配电路100和砷化镓单片放大电路200之间的噪声系数，实现了砷化镓放大器噪声系数的“重构”，适用性强。

本实施例还提供了一种单片可重构砷化镓低噪声放大器的制备方法，参见图5，为本实施例提供的单片可重构砷化镓低噪声放大器的制备方法的一个具体实施流程，主要如下：

步骤S501，制备片外输入匹配电路，所述片外输入匹配电路包括输入端和匹配端。所述片外输入匹配电路的输入端作为单片可重构砷化镓低噪声放大器的输入端。

步骤S502，制备砷化镓单片放大电路，所述砷化镓单片放大电路无输入匹配网络，所述砷化镓单片放大电路包括输入端和输出端。所述砷化镓单片放大电路的输出端作为单片可重构砷化镓低噪声放大器的输出端。

步骤S503，将所述片外输入匹配电路与所述砷化镓单片放大电路进行阻抗匹配得到预设噪声系数，所述片外输入匹配电路的匹配端与所述砷化镓单片放大电路的输入端键合。

在一个实施例中，参见图6，步骤S501中的制备片外输入匹配电路的具体实施流程包括：

步骤S601，在介质基片的一侧制备至少两个预设半径的圆形通孔。

步骤S602，在制备有通孔的介质基片的正面溅射金属层。

步骤S603，利用光刻工艺在溅射金属层的介质基片的正面形成图形化的掩膜层。

步骤S604，对形成图形化的掩膜层的介质基片的正面进行电镀得到接地的平面螺旋电感和阵列的连接点，并将所述介质基片的正面上的掩膜层和掩膜层下面的金属层去除。

步骤S605，在所述阵列的连接点上通过至少两根金丝键合出第二电感，并通过第三金丝将第二电感与平面螺旋电感连接。

可选的，在制备有通孔的介质基片的正面溅射金属层的具体实施流程包括：

在制备有通孔的介质基片的正面溅射钛钨层。

在介质基片的钛钨层上溅射金层。

示例性的，采用0.381mm厚氧化铝陶瓷基片，并在0.381mm厚氧化铝陶瓷基片的一侧制备至少两个预设半径的圆形通孔。在有圆形通孔的陶瓷基片背面通过磁控溅射台溅射钛钨(TiW)层(厚度

)，然后在钛钨层上溅射金(Au)层(厚度

)，最后在溅射金层的陶瓷基片背面电镀金(厚度3～4μm)。在有圆形通孔的陶瓷基片正面通过磁控溅射台溅射钛钨层(厚度

)，然后溅射金层(厚度

)，再通过一次光刻工艺在溅射金层的介质基片的正面形成图形化的掩膜层，对形成图形化的掩膜层的介质基片的正面进行电镀得到接地的平面螺旋电感和阵列的连接点(厚度4～5μm)，并将所述介质基片的正面上的掩膜层和掩膜层下面的金属层去除，再经过二次光刻工艺和三次光刻工艺最终制作出接地的平面螺旋电感和阵列的连接点电路图形，最后在所述阵列的连接点上通过至少两根金丝键合出第二电感，并通过第三金丝将第二电感与平面螺旋电感连接，得到片外输入匹配电路。

上述实施例中，单独制备片外输入匹配电路，将砷化镓单片放大电路的输入匹配网络从片上移至片外，提高了输入匹配网络的Q值，使用者可以根据工作需求调节或构造片外输入匹配电路和砷化镓单片放大电路之间的噪声系数，实现了砷化镓低噪声放大器噪声系数的“重构”，适用性强。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单片可重构砷化镓低噪声放大器，其特征在于，包括：片外输入匹配电路和砷化镓单片放大电路；所述片外输入匹配电路的输入端作为单片可重构砷化镓低噪声放大器的输入端，所述片外输入匹配电路的匹配端与所述砷化镓单片放大电路的输入端连接，所述砷化镓单片放大电路的输出端作为单片可重构砷化镓低噪声放大器的输出端；

所述片外输入匹配电路与所述砷化镓单片放大电路进行阻抗匹配得到预设噪声系数的单片可重构砷化镓低噪声放大器。

2.如权利要求1所述的单片可重构砷化镓低噪声放大器，其特征在于，所述片外输入匹配电路包括：第一电感、第二电感和介质基片；

所述第二电感的第一端作为所述片外输入匹配电路的输入端，所述第二电感的第一端还与所述第一电感的第一端连接，所述第二电感的第二端作为所述片外输入匹配电路的匹配端；所述第一电感的第二端与所述片外输入匹配电路的接地端连接；

所述第二电感和所述第一电感均设置在所述介质基片上；

所述介质基片包括至少两个预设半径的圆形通孔，所述圆形通孔为所述片外输入匹配电路的接地端。

3.如权利要求2所述的单片可重构砷化镓低噪声放大器，其特征在于，所述第二电感包括至少两根金丝；

所述至少两根金丝中的第一金丝的第一端作为所述第二电感的第一端，所述第一金丝的第二端与所述至少两根金丝中的第二金丝的第一端连接，所述第二金丝的第二端作为所述第二电感的第二端。

4.如权利要求3所述的单片可重构砷化镓低噪声放大器，其特征在于，所述至少两根金丝均为Φ25μm键合金丝。

5.如权利要求2所述的单片可重构砷化镓低噪声放大器，其特征在于，所述第一电感包括平面螺旋电感和第三金丝；

所述第三金丝的第一端作为所述第二电感的第一端，所述第三金丝的第二端与所述平面螺旋电感的第一端连接，所述平面螺旋电感的第二端与所述片外输入匹配电路的接地端连接。

6.如权利要求2所述的单片可重构砷化镓低噪声放大器，其特征在于，所述第一电感为Φ25μm键合金丝；

所述Φ25μm键合金丝的第一端作为所述第一电感的第一端，所述Φ25μm键合金丝的第二端与所述片外输入匹配电路的接地端连接。

7.如权利要求2至6任一项所述的单片可重构砷化镓低噪声放大器，其特征在于，所述介质基片为厚度范围为0.343mm至0.419mm的氧化铝陶瓷基片。

8.一种单片可重构砷化镓低噪声放大器的制备方法，其特征在于，包括：

制备片外输入匹配电路，所述片外输入匹配电路包括输入端和匹配端；

制备砷化镓单片放大电路，所述砷化镓单片放大电路无输入匹配网络，所述砷化镓单片放大电路包括输入端和输出端；

将所述片外输入匹配电路与所述砷化镓单片放大电路进行阻抗匹配得到预设噪声系数，所述片外输入匹配电路的匹配端与所述砷化镓单片放大电路的输入端键合。

9.如权利要求8所述的单片可重构砷化镓低噪声放大器的制备方法，其特征在于，制备片外输入匹配电路，包括：

在介质基片的一侧制备至少两个预设半径的圆形通孔；

在制备有通孔的介质基片的正面溅射金属层；

利用光刻工艺在溅射金属层的介质基片的正面形成图形化的掩膜层；

对形成图形化的掩膜层的介质基片的正面进行电镀得到接地的平面螺旋电感和阵列的连接点，并将所述介质基片的正面上的掩膜层和掩膜层下面的金属层去除；

在所述阵列的连接点上通过至少两根金丝键合出第二电感，并通过第三金丝将第二电感与平面螺旋电感连接。

10.如权利要求8或9所述的单片可重构砷化镓低噪声放大器的制备方法，其特征在于，在制备有通孔的介质基片的正面溅射金属层，包括：

在制备有通孔的介质基片的正面溅射钛钨层；

在介质基片的钛钨层上溅射金层。

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