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IEEE 微波理论与技术学报，第 51 卷，第 3 期，2003 年 3 月
一种基于 pHEMT结构紧凑的低相位噪声滤波器 Ka 波段 的压控振荡器
贝琳达 ·皮尔纳斯，西川健次郎，IEEE 成员，中川忠雄，荒木胜彦
摘要——报告了使用负电阻概念设计的低相位噪声 Ka 波段单片压控振荡器（VCO）。使用三维单片微波集成电路技术制造的电路具有很高的集成度，其尺寸仅为 0.5 mmsup2; 。晶片上的测量结果表明，在 1MHz 偏移处，相位噪声为102 dBc/Hz。VCO 在 28.3 GHz 的中心频率下提供 11.8 dBm 的输出功率。频率调谐范 围大于 3.8 GHz。还报道了电路性能对偏置条件的依赖性，这表明当对晶体管进 行偏置以优化其跨导和噪声系数时，可以获得最佳的相位噪声特性。
关键词——三维单片微波集成电路（MMIC） 技术、宽带操作、相位噪声，压控振荡器（VCO） 。
Resonator：谐振器
Gate bias ： 栅 偏 置, 栅偏压 (场效 应的)
Feedback
element： 反馈元件
图 1 .Ka 波段压控振荡器电路原理图
I. 介绍
无线通信系统的强劲持续发展增加了对紧凑、低成本、可广泛调谐和低相位 噪声振荡器的需求，并具有足够的输出功率； 应该可以在单片收发器中直接使用 它们。在所有这些要求中，最关键的一点是相位噪声性能。用电介质谐振器来稳 定振荡频率(DR)已经被证明，即使在毫米波频率下，也能非常有效地实现低相位 噪声特性[1]-[3]。然而，这种方法不允许完全的单片集成，并且需要非常小心 地放置共振器。因此，在成本、可靠性和集成度方面，首选全单片自激压控振荡 器（VCO） 。
在本文中，我们报告了一种单片低相位噪声 ka 波段压控振荡器的设计、制 造和性能超低噪声假象高电子迁移率晶体管（pHEMT） 技术与三维（3-D） 单片微 波集成电路（MMIC） 技术。尽管 HBT 技术，尤其是基于 InP 的 HBT 从低频率[4]的角度来看，技术更可取，高电子迁移率晶体管（HEMT） 技术选择此处是因为其适用 于多功能集成到单芯片时的应用程序。由联合单片机公司（UMS）开发的市售 0.15 米超低噪声 pHEMT 技术被用来实现迄今报告的最佳相位噪声性能。
单片式 pHEMT VCO 中心频率为 28.3 GHz，典型输出功率为 11.8 dBm，调谐 范围超过 3.8 GHz。在 1-MHz 偏移量下记录的晶圆相位噪声测量值为 102 dBc/Hz。 ka 波段 VCO 的信号可以很容易地加倍，用于未来的 v 波段单芯片收发器中使用， 专用于高速无线局域网（LANs） 、图像数据传输、非接触式 ID 卡、无线车辆和交通信息以及无线车辆和交通信息系统等[5]，[6]。
图 2. 作为变阻器的pHEMT 晶体管的电容和Q 值
图 3 .压控振荡器的调谐范围和谐振器的特性阻抗。
|
Capacitance：电容 Q-factor：Q值 Control bias：控制偏差 |
Tuning range：调谐范围 Line width：线宽 Characteristic impedance：特性阻抗 |
II. 振荡器结构与设计
图 1 是 ka 波段 VCO 的电路示意图。
该设计基于负电阻概念，使用产生负电阻的公共源串联反馈元件。有源器件是一种基于 0.15 米 UMS PH15 超低噪声技术的 4*30 米p HEMT。这种晶体管的迁移频率 ft 和最大振荡频率 fmax 是 110 和 180 千兆赫，通过优化 pHEMT 尺寸，以实现低相位噪声性能。这里使用的晶体管在 idss 的 60%和 30 GHz 下，实现了噪声系数为 0.9 dB。选择晶体管的栅极和漏极偏置的选择是为了在噪声系数性能 和最佳 gm 之间实现良好的一致性晶体管。当振荡频率被调谐时，晶体管在其最 大 gm 附近的偏压使设备保持相对恒定的输出功率。此外，正如第五节的结果所 表明的，该偏置配置对应于优化相位噪声特性。
在 VCO 中产生不稳定性的反馈元件由一个与小电容并联的短存根组成。该短接线采用了 70 Omega;传输线，以获得紧凑性和高电感量。一条 60 Omega;的传输线被用于建 立所需的负电导，并满足震荡条件[7].
栅极侧的谐振电路由一条串联着可变电容的传输线组成，以提供频率调谐 可变电容是由一个普通的漏极-源极晶体管实现的，其电容由栅极电压控制。图 2 显示了仿真电容和假象 HEMT 变容器的相应系数。在控制电压范围为 1.5-0.6V 的情况下，电容式调谐范围大约为 2.3 : 1。此外，在 30GHz 时，控制电压为 1.5V 的 Q 值为 27。实现可变电容的传统方法是 使用一个变容二极管，如肖特基变容 二极管。然而，变容二极管调谐的振荡器比固定频率的振荡器有相对较高的相位 噪声。由于前者的串联电阻，相位噪声比固定频率振荡器要高。此外，覆盖 VCO 整个频率调谐带宽所需的变容二极管控制电压范围相当大。图 3 显示了模拟频率 调谐范围对谐振传输线特性阻抗的依赖性。该图中还绘制了谐振器的相应线宽， 变容二极管的控制偏置范围为 2 –1 V。VCO 的调谐范围随着谐振器特性阻抗的降 低而线性增加。为了实现更宽的频率调谐范围和紧凑性，选择了一条线宽为 12 米的 70 线传输线。70 线的损耗和有效介电常数分别为 0.19db/mm 和 2.74。
为了减小芯片尺寸，输出匹配电路还采用了 70 路并行传输线。所有传输线 都具有弯曲形状（见图 4） 。振荡晶体管的漏极偏置电路设计为输出匹配网络的 一个组成部分。晶体管的栅极偏置通过一个小尺寸高阻抗电阻器提供。
图 4 . Ka 波段 VCO 显微照片
III. VCO 的制造
图 4 是制造的ka 波段 VCO 的显微照片。为了实现同时提供高集成度的高性 能有源器件，通过结合 UMS PH15 工艺和 NTT 实验室开发的 NEL 3-D 互连工艺[8]， 制造了所提出的 VCO。该方法首次在[9]中提出，提供了高集成度和高设计灵活 性； 它为设计者提供了根据性能和成本要求选择有源器件工艺的自由。
3-D互连工艺用于在砷化镓衬底上覆盖 UMSPH15 器件（晶体管、电阻器和 MIM 电容器）。3-D 互连工艺由我们的 2.5 微米厚的聚酰亚胺层和四个金金属层 组成，金金属层与聚酰亚胺层相交。金金属层厚度为 1 微米，但顶层金金属层厚 度为 2 微米，以降低损耗。这些金金属层实现薄膜微带（TFMS） 传输线，用于互 连 UMS PH15 工艺和无源结构的器件，并为偏置电路提供方便的接入线。
图 5. 测量的输出功率和 VCO的振荡频率与施加在变容二极管上的控制电压 Vc的关系
图 6. VCO的近距离光谱测量：Vc=-0.5V
图 7. 测量的输出功率和振荡频率与栅极电压的关系电压 Vg的关系
图 8. 测量的输出功率和震荡频率与漏极电压 Vd的关系
output power：输出功率
control voltage：控制电压
oscillation frequency：振荡频率
UMSPH15 工艺的导体层通常用于设备互连，此处用作三维互连工艺的
接地层。
窄线宽、窄间距和堆叠结构是3-D MMIC 技术的关键。这些特性的实现
意味着所提出的VCO实现了 0.5 毫米的非常小的芯片尺寸。
IV. 实验结果
使用 Agi-lent 8565E 频谱分析仪在晶圆上对 VCO 的振荡频率、输出功率
相位噪声进行了描述。
图 5表明了VCO 的测量振荡频率和输出功率与施加在可变电容器上的控制电 压 Vc 的关系；施加的偏置电压为 Vd=2.5V 和 Vg=0V。功耗为 80mW。正如在第二 节中提到的，选择这些偏置是为了达到晶体管的最佳 gm，从而使 VCO 的输出功 率相对恒定。在 3.8 GHz 的大频率调谐范围内，测得的输出功率为 11.3plusmn;1.2 dBm。 中心振荡频率为 28.3 GHz，相应的输出功率为 11.8 dBm。图 6 表示了在变容二 极管控制电压 Vc 为 0.5 V 时 VCO 的近距离光谱测量。未针对这些测量校准连接 电缆损耗。观察到自激振荡振荡器表现出显著的稳定性和低相位噪声，即使在 Vc=-0.5V 时，其频率随变容二极管的控制电压快速增长。在测得的频率范围内， 观察到超过 15 dB 的二次谐波抑制，并且没有寄生振荡。在这种偏置条件下1-MHz 和 100 kHz 偏移量下测量低相位噪声性能，102 dBc/Hz 和-68 dBc/Hz（参 见图 12） 。
图 7 显示了在 Vd=2.5V 和 Vc=-0.5V 的情况下，VCO 的输出功率和振荡频率 对栅极偏置 Vg 的依赖性。测量的栅极偏置电压范围为栅极偏压的测量范围是 0.3-0V。当栅极偏置从-0.3 到-0.15 V 变化时，输出功率迅速增加。输出功率稍 高于 Vg=-0.15V 的值。对于测量的栅极电压范围，振荡频率偏差约为 400 MHz。 图 8 显示了 VCO 的输出功率和振荡频率对晶体管漏极偏置 Vd 的依赖性，测量值 为 Vg=-0.2V 和 Vc=-0.5V。漏极电压的范围为 0.5 –3.75V。最大的测量输出功率 为 14.6 dBm，在漏极偏置 Vd 从 1.5 到 3.75V 变化时，获得了 7.9 dBm 的功率控 制水平。频率牵引发生在漏极电压低于 0.5 V 时。漏极电压 Vd 在 1.5 和 3.75 V 之间时，振荡频率偏差小于 230MHz。
最先进的 Ka 波段 VCO（见表一） 的比较表明，与基于 HBT 的 VCO 相比，拟 议的 VCO 在相位噪声方面具有竞争力； 其输出功率是已公布的最高值之一。此外， 它还提供明显更好的频率调谐范围和芯片尺寸。
|
技术 |
芯片尺寸 （mmsup2;） |
中心振 荡频率 Fc （GHz） |
调谐范 围 （GHz） |
输出功 率 Fc （dBm） |
相位噪声 100kHz 偏 移 （dBC/Hz） |
相位噪声 1MHz 偏移 （dBC/Hz） |
参考 资料 |
|
0.25 mu; mMESFET |
3 |
38.25 |
0.5 |
12 |
-75 |
-95 |
[10] |
|
0.25 mu;mHEMT |
3.5 |
29.85 |
2.3 |
11 |
-70 |
— |
[11] |
|
0.2 mu;mPHEMT |
4 |
29.6 |
1.2 |
12 |
— |
— |
[12] |
|
0.2 mu;mPHEMT |
3.2 |
38.45 |
2.4 |
lt;0 |
-63 |
— |
[13] |
|
0.2 mu;mPHEMT |
2.25 |
33.75 |
0.35 |
9.4 |
— |
— |
[14] |
|
0.18 mu; mPHEMT |
— |
29.3 |
0.55 |
0 |
-62 |
— |
[15] |
|
0.15 mu; mPHEMT |
0.5 |
28.3 |
3.8 |
11.8 |
-68 |
-102 |
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