摘要
基于GaAs平面肖特基二极管工艺，采用反向并联二极管对的平衡结构，实现了W波段宽带三倍频器芯片。采用有限元法和等效电路法联合的方式，建立10~280 GHz频率范围的平面肖特基二极管的精确等效电路模型。采用非线性谐波平衡联合仿真方法，实现了W波段倍频器的最优化设计。在片测试结果表明，在17 dBm的驱动功率下，倍频损耗小于15 dB，最大倍频效率6.7%，芯片尺寸0.80 mm×0.65 mm ×0.05 mm。
由于频率太高，以基波形式产生太赫兹毫米波信号无法达到系统所需的输出功率和稳定度，利用非线性器件实现高效、宽带的倍频源成为获取高性能太赫兹毫米波信号的重要途径。毫米波倍频器主要分为基于分立肖特基二极管结构的混合集成模
随着频率的升高，器件外围电路的寄生参数对电路性能影响逐渐明显，为了更精确地提取二极管寄生参数、建立等效电路模型通常有两种手段：基于测试数据的建模方法和基于三维电磁场仿真的建模方法。对于高频段的测试要求相对较高，商用校准片存在衬底失配和模式失配的问题，去嵌入可以在一定程度上修正这两种失配，且可将待测件（DUT）的Pad移除，测量端面移动到器件边缘，但是传统去嵌方式（open-short）为集总参数去嵌，在太赫兹频段，波长与器件尺寸可比拟，分布效应越来越明显，open-short的去嵌方式将不再适用于太赫兹频段。为避免测试误差带来的影响，本文采用三维电磁场仿真与等效电路法相结合的方式，提取二极管寄生参数，与本征参数共同建立完整的等效电路模型。由于肖特基二极管等效电路模型的参数较多，为精确提取各个参数，分析了各个等效参数与对应的肖特基二极管的物理结构的变化关系，将平面肖特基二极管EM模型分为三个区域，如
图1 平面肖特基二极管EM模型
Fig. 1 EM model of planar Schottky diode
首先在三维电磁仿真软件中建立三种情况（去除空气桥的二极管、开路的二极管和短路的二极管结构）下的二极管EM模型，同时在电路仿真软件中建立相对应的集总等效电路模型，通过拟合上述每种情况下的S参数矩阵，可以得到对应的集总等效参数值，每一步都是独立的模型，然后把几部分联合起来构成一个完整模型，这样通过将复杂问题分解为几个简单部分，可以避免多个参数值出现较大的随意性。
（a）
（b）
图2 去除空气桥的二极管模型： (a) EM模型； (b) 等效电路模型
Fig. 2 Model of diode without air bridge: (a) EM model； (b) equivalent circuit model
图3 去除空气桥的二极管结构等效电路模型与EM模型仿真结果
Fig. 3 Equivalent circuit model and EM model simulation results of diode structure without air bridge
（a）
（b）
图4 短路结构二极管模型： (a) EM模型； (b)等效电路模型
Fig. 4 Model of diode with short circuit structure： (a) EM model； (b) equivalent circuit model
图5 二极管短路结构等效电路模型与EM模型仿真结果
Fig. 5 Equivalent circuit model and EM model simulation results of diode with short circuit structure
（a）
（b）
图6 开路结构二极管模型： (a) EM模型； (b)等效电路模型
Fig. 6 Model of diode with open circuit structure： (a) EM model； (b) equivalent circuit model
图7 二极管开路结构等效电路模型与EM模型仿真结果
Fig. 7 Equivalent circuit model and EM model simulation results of diode with open circuit structure
通过测试I-V曲线和C-V曲线，提取2 μm阳极柱尺寸下肖特基二极管的典型本征参数，如
| 参数 | 典型值 |
|---|---|
| 零偏结电容Cjo | 8 fF |
| 级联电阻Rs | 4.5 Ω |
| 理想因子η | 1.18 |
| 开启电压VF（10 μA） | 1.0 V |
| 饱和电流Is | 15 fA |
（a）
（b）
图8 肖特基二极管立体结构和等效电路模型: (a) EM模型;(b) 等效电路模型
Fig. 8 Schottky diode three-dimensional structure and equivalent circuit model: (a) EM model; (b) equivalent circuit model
在去嵌寄生元件后，本征电容Cj可以由以下式获得：
| ， | (1) |
Y12为器件的二口Y参数，根据不同偏置下提取得到的结电容画出C-V曲线。
图9 肖特基二极管直流和电容模拟和测试比较曲线
Fig. 9 Schottky diode DC and capacitance simulation and test comparison curve
本文采用反向并联二极管对的平衡结构实现三倍频器的设计，基本结构框图相应的版图设计如
（a）
（b）
图10 (a)平衡三倍频器结构框图；(b)版图设计
Fig. 10 (a) Diagram of balanced frequency tripler structure； (b) layout design
反向并联二极管对常用于奇次倍频电路设计，利用二极管的非线性特性和其结构特性，使产生的耦合谐波反向相消，仅输出奇次谐波，因此可有效简化电路结构，降低设计难度，减小芯片尺寸。利用所建立的二极管等效电路模型，在电路仿真软件中采用非线性谐波平衡联合仿真方法，实现三倍频器优化，最终仿真结果如
（a）
（b）
图11 三倍频器仿真结果：(a) 驻波比；(b) 转换增益
Fig. 11 Frequency tripler simulation results：(a) VSWR；(b) conversion gain
该三倍频由单个平面肖特基二极管进行反向并联实现，芯片尺寸为0.80 mm×0.65 mm×0.05 mm，芯片照片如
图12 芯片照片
Fig. 12 Photograph of chip
对本文设计的倍频器进行在片测试，基本的测试系统框图如
图13 测试系统框图
Fig. 13 Diagram of the test system
（a）
（b）
图14 在片测试曲线： (a) 驻波比；(b) 转换增益
Fig. 14 On-chip test curve：(a) VSWR；(b) conversion gain
| 集成方式 | 倍频损耗/dB | 频率范围/GHz | 倍频效率/ % | 文献 |
|---|---|---|---|---|
| 混合集成 | 15 | 75~110 | 3.2 |
［ |
| 混合集成 | 15.2 | 110~170 | 3.0 |
［ |
| 混合集成 | 18 | 135~150 | 4.6 |
［ |
| 混合集成 | 18.2 | 135~150 | 1.5 |
［ |
| 单片集成 | 14 | 75~110 | 6.7 | 本文 |
本文基于GaAs 肖特基二极管MMIC工艺，通过有限元法和等效电路法联合的方式，分区域对肖特基二极管进行寄生参数的精确提取，且用相同方法实现了反向并联二极管对的等效电路模型提取，频率范围为10~280 GHz，为太赫兹频段平衡式三倍频单片的设计提供器件和模型基础。本文的三倍频采用单个肖特基二级管实现，在片测试结果表明，输入功率17 dBm下，该芯片在输入频率25~37 GHz范围内，峰值输出功率达到5.2 dBm。本文设计的三倍频单片为无源MMIC，省去混合集成装配问题，且相对于HEMT倍频单片带宽大、尺寸小、使用方便，为W波段应用系统提供稳定的信号源。
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