Однокристальный приемный модуль со встроенной антенной на диапазоне частот 66-67 ГГц для систем сотовой связи 5G

Для создания сетей сотовой связи 5G существует несколько частотных поддиапазонов, в том числе 66–71 ГГц. Одной из задач при освоении этого диапазона является разработка монолитных интегральных схем (МИС) для приемных и передающих устройств и освоение их производства в России. К одному из перспективных направлений создания нового поколения МИС относится технология нитрида галлия на подложках сапфира, обеспечивающая минимальные массогабаритные размеры при максимальной мощности выходных усилителей (УМ) и генераторов, управляемых напряжением (ГУН) для гетеродинных радиоприемников. Нитрид галлия — широкозонный полупроводник, позволяющий создавать усилительные каскады с более высокой выходной мощностью по сравнению с арсенидом галлия, поэтому он наиболее востребован в усилителях мощности, также обладает более высокими пробивными напряжениями, большей стойкостью к внешним воздействиям — температуре, ионизирующему излучению.

В данной работе рассматривается возможность проектирования и изготовления однокристальных приемных устройств на частоты 66–67 ГГц с промежуточной частотой от 0.1 до 2.0 ГГц на основе ГУН и смесителя с встроенной интегральной антенной. Однокристальный модуль построен в результате исследования ГУН и смесителя для диапазона частот 57–63 ГГц. Также в ИСВЧПЭ РАН ведутся работы по освоению технологии проектирования и производства МИС на основе гетероструктур нитрида галлия для других приемопередающих систем [1–2].

Ширина доступной полосы и отсутствие интерференции между различными источниками сигнала в данном диапазоне делают его привлекательным для применения в высокоскоростной сверхширокополосной передаче данных, в системах межспутниковой и ближней связи. В миллиметровом диапазоне длина волны около 5 мм и соответственно размеры излучателя становятся столь малыми, что целесообразно интегрировать его непосредственно на кристалл. Интеграция антенн на один кристалл с активными элементами позволяет обеспечить низкий уровень потерь между элементами системы, низкий уровень шумов и большую передаваемую мощность, снижает производственные и материальные издержки по сравнению с реализацией в виде микросборки [3].

РАЗРАБОТКА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ МИС

Структурная схема разработанного приемопередающего модуля (ППМ) изображена на рис. 1. Данная "система-на-кристалле" состоит из ГУНа со встроенным буферным усилителем, который выполняет роль источника сигнала диапазона 66–67 ГГц при формировании сигнала на передающую антенну, а также роль гетеродина.

Рис.1. Блок-схема МИС ППМ диапазона 66–67 ГГц

В смесителе происходит преобразование сигнала гетеродина и усиленного на малошумящем усилителе (МШУ) сигнала с приемной антенны в сигнал промежуточной частоты.

Однокристальный модуль проектировался по микрополосковой технологии. Если в схемах на арсениде галлия использование микрополосков не является проблемой, т. к. пластины легко утоняются и хорошо химически травятся, то в схемах на нитриде галлия на подложке сапфира создание заземляющей плоскости связано с серьезными технологическими трудностями. Было предложено конструкторско-технологическое решение этой проблемы, заключающееся в размещении земляной плоскости не на обратной стороне пластины, а на лицевой поверх активной части МИС через слой фотолака (разработка ИВС РАН). Такое решение изображено на рис. 2, также показаны сквозные отверстия, через которые будет осуществляться заземление истоков транзисторов и конденсаторов, что обеспечивает общий электрический контакт одного общего электрода [4–5]. Использование заземляющей плоскости поверх слоя фотолака позволило создать МИС по микрополос-ковой технологии и обеспечить стабильность в рабочем диапазоне частот.

Рис. 2. Поперечное сечение пластины с фотолаком

Рис. 3. Принципиальная схема МШУ

Рис. 4. Принципиальная схема ГУН

МИС были изготовлены на гетероструктурах AlGaN/GaN на подложках сапфира толщиной 350 мкм. На данных структурах были изготовлены транзисторы 2 × 50 мкм и 2 × 100 мкм с длиной затвора 140 нм. Измерения транзисторов показали, что значения предельной частоты усиления по току ( F t ) составили около 70 ГГц, а предельной частоты генерации ( F max ) — около 150 ГГц без процедуры исключения паразитного влияния контактных площадок (деэмбеддинга).

На начальном этапе были созданы модели транзисторов, построенные на основе измерений S-параметров, вольт-амперных характеристик и измерений коэффициента шума. После этого по построенным моделям транзисторов проектировались составные элементы приемопередающего модуля — ГУН, МШУ, смеситель. Также проводилось моделирование встроенной антенны. Принципиальная схема разработанного однокаскадного МШУ показана на рис. 3.

Усилитель состоит из двух каскадов, транзисторы включены по схеме с общим истоком. Согласующие цепи выполнены в виде отрезков мик-рополосковых линий, конденсаторов на землю маленького номинала и разделительных конденсаторов большого номинала. По микрополосковым линиям также подавались напряжения смещения на затвор и питания на сток. Согласование схемы выполнялось на достижение минимального уровня шума. Расчетный коэффициент передачи МШУ составил 10 дБ, коэффициент шума около 6.0– 6.5 дБ [6–9].

В качестве интегрированного источника сигнала был спроектирован ГУН (схема приведена на рис. 4).

Микрополосковые линии Ts и Tg , подключенные к истоку и затвору транзистора, вместе с варактором образуют резонансный контур. На стоке образуется отрицательное дифференциальное выходное сопротивление. Частота генерации определяется в основном длиной линий Ts и Tg и емко-

Рис. 5. Принципиальная схема смесителя стями транзистора [10]. Управление частотой генерации осуществляется варактором, в качестве которого используется транзистор в диодном включении: управляющее напряжение меняет емкость затвор—сток. На выходе ГУН расположен однокаскадный буферный усилитель для устранения влияния вариации цепи нагрузки генератора на частоту и уровень формируемого в ГУН сигнала. Номинал разделительных конденсаторов в цепях питания и смещения выбран достаточно большим, чтобы не оказывать влияния на резонансную частоту. При расчетах схемы использовалась нелинейная модель транзисторов с шириной затвора 100 мкм, построенная по результатам измерений тестовых транзисторов [11].

Смеситель построен на основе балунов Мар-шанда — трансформаторов с использованием связанных микрополосковых линий (принципиальная схема представлена на рис. 5).

На один вход смесителя поступает сигнал с ГУН, а на другой вход — сигнал, принятый с приемной антенны. На выходе балунов формируются сигналы, смещенные относительно друг друг по фазе на 180º. Выходные сигналы мостов попарно перемножаются в транзисторах, суммируются,

Рис. 6. Фотография изготовленного МИС

и в результате на выходе смесителя образуется сигнал промежуточной частоты (IF). Оптимизация параметров схемы проводилась с целью минимизации потерь преобразования в смесителе. Расчетные потери в балансном смесителе при преобразовании сигнала из диапазона 60–67 ГГц в диапазоне 0–5 ГГц не превышают 12 дБ. На данную МИС получено свидетельство о регистрации топологии интегральной схемы [12].

На этапе создания принципиальной схемы все МИС рассчитывались на сосредоточенных элементах, а затем для учета взаимного влияния распределенных элементов друг на друга проводилось электродинамическое моделирование топологического проекта в САПР Advanced Design System (ADS).

Разработанные МИС были изготовлены на технологическом оборудовании ИСВЧПЭ РАН. Фотографии кристаллов МИС ППМ после нанесения слоев фотолака и верхней металлизации представлены на рис. 6. Размеры "системы-на-кристалле" составляют 4.0 × 2.4 мм.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ МИС

На рис. 7 показаны результаты измерений типового образца ГУН. График зависимости частоты генерации от управляющего напряжения показал, что диапазон перестройки частоты составляет 66– 68.8 ГГц при управляющем напряжении от 0 до 10 В. График зависимости выходной мощности от частоты показал, что выходная мощность составляет около 10–13 дБм.

Потери преобразования смесителя в сигнал промежуточной частоты 1...4 ГГц составляют –14…–12 дБ при мощности гетеродина 10 дБм.

Измерения усилителя показали (рис. 8), что его характеристики сместились в более низкочастотный диапазон. На частоте 56 ГГц коэффициент

б

Рис. 7. Параметры МИС ГУН.

а — зависимость частоты генерации ГУН от управляющего напряжения, б — зависимость выходной мощности от частоты ГУН

передачи достигает 6.5 дБ при хорошем согласовании входа и выхода. В диапазоне 66–67 ГГц коэффициент передачи — около 4 дБ.

а

б

Рис. 8. Измеренные характеристики МШУ.

а — коэффициента передачи; б — КСВН входа; в — КСВН выхода

Проведена оценка полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем: было проведено сравнение разработанной МИС ППМ с устройствами, в которых приемник и передатчик объединены в один конструктивный блок и в котором по меньшей мере одна часть используется для передачи и приема сигнала, при этом все аналоги построены либо по кремниевой технологии, либо по SiGe [13–18]. Изготовленная МИС является единственной разработанной на широкозонном полупроводнике — нитриде галлия, а по габаритам и характеристикам разработанная схема находится на уровне мировых аналогов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предварительные исследования разработанной МИС приемопередающего модуля диапазона 66– 67 ГГц с интеграцией всех элементов приемного и передающего трактов в одной "системе-на-кристалле" продемонстрировали ее работоспособность. Выходная мощность в передающем тракте составила более 10 дБм, диапазон перестройки ГУН — более 2 ГГц. По совокупности характеристик разработанная МИС ППМ соответствует мировому уровню. Впервые в мире приемопередающая "система-на-кристалле" изготовлена на гетероструктурах нитрида галлия.

В перспективе характеристики МИС могут быть улучшены за счет совершенствования технологии и улучшения качества гетероструктур, а стоимость промышленного изготовления может быть существенно снижена при переходе на подложки из кремния.