核心速览
本文介绍了一种利用小型GaAs非线性传输线和内部步进恢复二极管(SRD)的50GHz采样器混合微电路。
研究背景
· 研究问题:随着电子设备的小型化和高频化需求,如何设计出小型且高效的采样下变频器成为了一个研究热点。这些采样器在相位锁定合成器、频率计数器、网络分析仪和示波器等设备中有着广泛的应用。然而,目前的采样器受到步进恢复二极管(SRD)的上升/下降时间限制,难以突破40GHz的频率限制。· 研究难点:为了提高采样器的带宽,需要减少SRD输出脉冲的下降时间,但同时又不能显著牺牲转换效率。研究者们尝试了非线性传输线来实现脉冲的陡峭化,但之前的研究并未能提供小型化、高效率的实用化冲击线(shockline)设计。· 文献综述:非线性传输线用于脉冲陡峭化已有多年研究,但之前的研究并未能提供小型化、高效率的实用化冲击线设计。本文的研究是在Gibson提出的采样器结构基础上,通过引入短的非线性传输线来探索性能的提升。 采样器描述
· 采样子系统组成:采样子系统由一块2.5英寸×3英寸的印刷电路板组成,包含本地振荡器(LO)放大器、中频(IF)放大器、采样混合器以及所有必要的偏置电路。射频(RF)和LO输入以及IF输出的阻抗均为50欧姆,LO和IF放大器的增益分别为11分贝和32分贝。· 采样混合器电路:采样混合器电路封装在一个直径为0.75英寸的镀金铝制封装内,包括步进恢复二极管(SRD)及其输入匹配网络、微带到槽线巴伦以及在支撑铝基板上的束引线GaAs集成二极管电路。采样二极管芯片包含采样二极管D1和D2、100欧姆射频终端电阻器RT、2皮法拉德硅氮化物保持电容器CH以及50欧姆IF输出电阻器RH。
非线性传输线
· 非线性传输线的构造:非线性传输线由N个相同的单元组成,每个单元包含一个离散的变容二极管,位于传输线长度d的中心。电压可变电容C(V)导致电压依赖的时间延迟r(V),使得脉冲的高电压部分比低电压部分传播得更快,从而使得脉冲前沿变陡,尾部变慢。· 设计目标:研究的重点是实现高效率的功率传输,以及在尽可能短的线长内实现脉冲前沿下降时间的3:1到4:1减少,而不是追求最快的输出脉冲边缘斜率。 震荡线设计
· 震荡线的构造:震荡线基于共面波导(CPW)传输线,与采样器中本地振荡器路径使用的槽线结构兼容。震荡线使用了两个串联的变容二极管以避免SRD的充电存储周期中二极管的正向导通,并适应SRD产生的19V峰值脉冲电压。 · 震荡线参数:震荡线包含N=27个单元,每个单元的CPW传输线长度为50微米。芯片尺寸为0.31毫米×1.64毫米,使用束引线进行输入和输出连接。
共面波导(CPW)
共面波导(CPW)是一种微波传输线,它在同一个平面内具有一个中心导带和两个平行的接地导带。CPW的特点包括:
- 单面加工:CPW的制造过程只需要在基板的一面进行,这简化了加工过程,减少了制造成本。
- 低寄生电感:由于CPW的接地导带位于中心导带的两侧,因此具有较低的寄生电感。
- 易于与器件集成:CPW的结构允许直接与半导体器件集成,例如在文档中提到的使用CPW技术来集成变容二极管。
- 高阻抗水平:CPW可以实现较高的特性阻抗,例如在文档中提到的在GaAs基板上实现的特性阻抗上限约为90Ω。
在文档中,CPW被用于构建shockline(冲击线),这是一种非线性传输线,用于脉冲陡化。shockline由多个单元组成,每个单元包含一个离散的变容二极管,位于传输线长度d的中心。通过使用CPW,可以实现高效率的功率传输,并且在尽可能短的传输线长度内实现脉冲前沿的陡化。
文档中还提到了CPW传输线的特性阻抗和传播速度的计算,以及在shockline中使用CPW时的结构设计和尺寸参数。例如,shockline中的每个单元的CPS传输线长度为50微米,整个shockline由27个单元组成,芯片尺寸为0.31mm×1.64mm。
综上所述,CPW在微波和毫米波集成电路设计中是一种重要的传输线技术,它在实现高阻抗水平、低寄生电感以及与器件集成方面具有显著优势。
在提供的文档中,slotline(槽线)是与微波技术相关的术语,它在文档中被提及为一种传输线结构。具体来说,文档中描述了一个采样器的结构,其中提到了一个微带到槽线的平衡转换器(balun),这个转换器用于将微带线上的信号转换为槽线上的平衡信号,进而驱动采样二极管。在文档的第29段中,描述了采样器的结构,其中提到了在微带线的接地平面上形成槽线以产生平衡脉冲,该脉冲朝向采样二极管。此外,在第33段中,提到了为了适应冲击线(shockline)的添加,对采样器的结构进行了修改,其中包括对槽线的开路进行了修改,增加了终止电阻以提高本振(LO)到射频(RF)的隔离。
以下是文档中与slotline相关的部分摘录:
- 微带到槽线的平衡转换器(balun)用于产生平衡脉冲,驱动采样二极管。
- 为了适应冲击线的添加,对采样器的结构进行了修改,其中包括对槽线的开路进行了修改,增加了终止电阻以提高本振(LO)到射频(RF)的隔离。
这些信息表明,slotline在文档描述的采样器中扮演了重要的角色,特别是在信号转换和传输方面。
微带到槽线转换器(microstrip-to-slotline balun)是一种用于将微带线(microstrip line)的信号转换为槽线(slotline)信号的装置。在文档中提到的50 GHz采样器中,这种转换器被用于将微带线上的信号转换为槽线结构,以便驱动采样二极管。具体来说,采样器的微带线脉冲通过一个覆盖在主要氧化铝基板上的微带线发射,而槽线则在微带线的接地平面上形成,以产生一个平衡的脉冲,朝向采样二极管。这种转换器的设计允许信号从微带线传输到槽线,从而实现采样二极管的驱动。
测量结果
· 频率响应:原始采样器和震荡线增强采样器的频率响应从2GHz到60GHz进行测量,使用300MHz、325MHz和350MHz的本地振荡器频率。使用287kΩ的自偏电阻时,原始采样器在2GHz时的转换损耗为-8分贝。使用51kΩ的自偏电阻时,震荡线增强采样器在2GHz到40GHz的转换损耗改善了3分贝,并且在40GHz以上频率的改善更加显著。· 转换效率:震荡线增强采样器在整个测量频率范围2-60GHz内,与未使用震荡线的采样器相比,转换效率有所提高。 结论
· 震荡线增强采样器的实用性:研究展示了使用非常短且低损耗的非线性传输线来提高小型紧凑型混合采样器的转换效率和带宽的可行性。震荡线增强采样器具有55GHz的可用带宽,比没有震荡线的采样器高出10GHz。