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微波集成电路及其 CAD 概念综述 1 第第 1 章章 绪绪 论论 微波电路开始于 40 年代应用的立体微波电路 1 它是由波导传 输线 波导元件 谐振腔和微波电子管组成 随着微波固态器件的发 展以及分布型传输线的出现 60 年代初 出现了平面微波电路 它 是由微带元件 集总元件 微波固态器件等利用扩散 外延 沉积 蚀刻等制造技术将这些无源微波器件和有源微波元件制作在一块半 导体基片上的微波混合电路 2 即 HMIC 它属于第二代微波电路 与以波导和同轴线等组成的第一代微波电路相比较 它具有体积小 重量轻等优点 避免了复杂的机械加工 而且易与波导器件 铁氧体 器件连接 可以适应当时迅速发展起来的小型微波固体器件 又由于 其性能好 可靠性强 使用方便等优点 因此即被用于各种微波整机 并且在提高军用电子系统的性能和小型化方面起了显著的作用 3 70 年代 GaAs 材料制造工艺的成熟 对微波半导体技术的发展 有着极为重要的影响 GaAs 材料的电子迁移率比 Si 高七倍 而且漂 移速度也比 Si 高的多 这种高频高速性能是由其材料特性决定的 又 由于 GaAs 材料的半绝缘性 其电阻率可达 105 cm 可以不需要采用 特殊的隔离技术而将平面传输线 所以无源元件和有源元件集可以成 在同一块芯片上 更进一步地减小了微波电路的体积 正是由于 GaAs 技术的问世与 GaAs 材料的特性而促成了由微波 集成电路向单片集成电路的过渡 与第二代的微波混合电路 HMIC 相 比较 MMIC 的体积更小 寿命更长 可靠性高 噪声低 功耗小 工作的极限频率更高等优点 例如在在 HMIC 与 MMIC 就高增益放大 器的比较中可以发现 见表 1 1 4 放大器的尺寸 MMIC 元件数 连线接头数均比要 HMIC 少 且二者的电器性能相近 MMIC 的极限 频率和增益要比 HMIC 大 因此 受到广泛的重视 尽管 MMIC 技术 发展很快 但至今为止仍然存在这某些互联困难 某些性能指标的常 规电路元件不能制造 开发费用高等问题 我国 MMIC 受到投资不足 技术水平低等条件的限制 发展一直比较缓慢 相对而言 MHMIC 技 微波集成电路 课程专题讲座之一 2003 年 3 月 哈工大 吴群 2 术则克服了这些问题 它具有许多突出的优点 电路的体积比传统的 微波混合电路大大缩小 设计灵活 开发成本低 周期短 生产效率 高 为微波混合集成电路进行低成本的大规模生产提供了有效的技术 途径 5 正是因为如此 国外 MHMIC 技术也获得了迅速的发展 表 1 1 高增益放大器 HMIC 与 MMIC 的比较 HMIC MMIC 频率 GHz 8 18 频率 GHz 7 5 18 5 噪声系数 dB 4 5 典型值 噪声系数 dB 5 2 典型值 增益 dB 40 2 增益 dB 57 1 5 线接头数 400 线接头数 14 FET 数 16 FET 数 16 基片数 8 GaAs 芯片数 5 载体数 8 载体数 1 芯片电阻数 400 芯片电容数 40 未封装尺寸 mm 64 8 4 封装后尺寸 mm 19 5 9 5 5 目前 单片微波集成电路已经使用于各种微波系统中 在这些微 波系统中的 MMIC 器件包括 MMIC 功放 低噪声放大器 LNA 混频器 上变频器 压控振荡器 VCO 滤波器等直至 MMIC 前端 和整个收发系统 单片电路的发展为微波系统在各个领域的应用提供 了广阔的前景 由 MMIC 器件所组成的微波 毫米波系统 已广泛应用于空间电 子 雷达 卫星 公路交通 民航系统 电子对抗 通信系统等多种 尖端科技中 由于这些系统所具有的优良性能使得国家的军事力量迅 速提高 在民事应用中的使用使人们的物质文化生活水平高速发展 由于这些系统的特殊性而对 MMIC 器件的可靠性有很高的要求 虽然在某些方面 MMIC 器件的可靠性还有待于进一步的提高 但是就 整体而言 目前 MMIC 的可靠性已经具备了一般的微波电子线路所无 法比拟的水平 微波集成电路及其 CAD 概念综述 3 八十年代 微波 毫米波电路设计与制作的一个重要特点是从立体 电路向混合集成电路和平面集成电路的过渡 随着 MMIC 技术的进一 步提高和多层集成电路工艺的进步 利用多层基片内实现几乎所有的 无源器件和芯片互联网络的三维多层微波结构受到越来越多的重视 而且建立在多层互联基片上的 MCM Multi Chip Module 技术将使 微波 毫米波系统的尺寸变得更小 这是微波集成电路发展的必然趋势 但这并不意味着 MMIC 就此 将被淘汰掉 因为将微波集成电路单片化还有许多技术难点没有攻克 就目前的技术发展来看还有许多微波 毫米波系统需要 MMIC 技术的 深化以提高其工作性能 而且 MUM 三维多层结构需要有相当完善的 MMIC 技术理论的支持才得以实现 由于 MMIC 器件的高度集成性 而加大了其电路的设计难度 MMIC器件或MMIC系统的高频工作特性又造成了MMIC与普通电子 线路的不兼容性 在微波集成电路 CAD 中 各种传输线及其不均匀 区模型 元件之间的寄生耦合模型以及微波有源器件的非线性模型等 在技术上具有很大的难度 因此 在 MMIC 的设计中相应的要有特殊 的适合于微波集成电路计算机软件的支持 随着 MMIC 技术的不断发展和 MMIC 器件以及 MMIC 系统的工 作性能不断的提高 微波集成电路 CAD 技术也逐渐的为了适应这些 需要而向更高的层次发展 电磁仿真技术的发展 促进了利用电磁仿 真技术对 MMIC 进行设计加工 使微波集成电路 CAD 软件具有具有 更强的实际分析能力 更好的适应了 MMIC 器件的工作频率以及工作 性能的不断提高 正是由于微波集成电路 CAD 技术的引入 使得 MMIC 的设计变 得简单快捷 MMIC 的器件从设计研究到批量生产的周期大大的缩短 而且也避免了由于人工调试造成的误差 如今微波集成电路 CAD 软 件已经成为微波工程师进行 MMIC 的研制过程中必备工具 而且这项 技术也逐渐的向一门专门的学科发展 本文近年来国际 MMIC 的进展状况 对未来的 MMIC 研制方向进 行预测 并且根据我国目前的 MMIC 发展的现有基础 就如何加快我 微波集成电路 课程专题讲座之一 2003 年 3 月 哈工大 吴群 4 国 MMIC 技术的研究步伐进行探讨 并相应的提出一些观点供通信研 究部门参考 本文将从 MMIC 的设计理论 器件性能 以及 MIC CAD 技术等几个方面进行论述 微波集成电路及其 CAD 概念综述 5 第第 2 章章 MMIC 的设计原理的设计原理 2 1 MMIC 的基本构成的基本构成 2 1 1 MMIC 的基片材料的基片材料 MMIC 的基片材料一般多采用 GaAs 材料 它兼有两种功能 一 是作为电路的支撑体 二是作为半导体有源器件的原材料 1 GaAs 材 料具有低损耗 高介电常数 并且与金属有良好的附着力 GaAs 本 身具有抗辐射性 这在军用系统中具有重要的意义 MMIC 的制作是 在半绝缘的 GaAs 基片表面局部区域掺杂构成有源器件 MESFET HEMT HBT 及二极管 而 GaAs 基片表面的其余部分则作为微波匹 配电路和无源元件载体 GaAs 基片厚度常选取为 0 1 0 3mm 面积 0 5 0 5mm 2 到 5 5mm 2 之间 70 年代 MMIC 的基片基本使用 GaAs MESFET 材料 随着频道的 拥挤 毫米波段的开发 80 年代后期的 GaAs MESFET 受到 InGaAs HEMT 的挑战 之后 MESFET 与 HEMT 相辅相成 为微波和毫米 波提供满意的有元器件 90 年代 便携电话 个人移动手机 的迅速发展对半导体器件提 出了更苛刻的要求 突出的关心低造价 高效率 低电压 低相位噪 声 这迫切的需要人们寻找一些更重要的半导体材料以适应 MMIC 的 研究制造 如 IBM 首先提出了 SiGe HBT 这种器件表现出了极好 的性能 由于这是以 Si 为基础的工艺 所以器件工艺比较成熟 且造 价低 易与现存的 Si IC 接口 它的 PAE 放大器功率附加效率 可 达 70 与 MESFET 相同 最突出的优点是具有极低的相位噪声 2 1 2 无源元件无源元件 MMIC 常用的无源元件有两类 6 一类是集总元件 尺寸通常小 于 0 1 波长 另一类是分布元件 其中 10 20GHz 波段使用集总元件 而高于 20GHz 易采用分布元件 在频率较高时 集中参数的电感 电 容和电阻不能简单的当成理想的 L R 和 C 还应考虑它们的寄生参 量 当作一个网络来处理 微波集成电路 课程专题讲座之一 2003 年 3 月 哈工大 吴群 6 1 传输线元件 1 传输线元件 在 MMIC 中常用的分布参数元件是微带线 槽线和共面线 其中 微带线元件是 MMIC 无源元件的最主要形式 基于 GaAs 基片的面积 有限 所以电长度必须尽量小 通常还需要把微带线折弯以充分利用 基片面积 6 微带线间距离宜大于基片厚度的 2 倍 以减小线间耦合 的影响 近年来随着通孔接地技术的改进 更多的倾向于微带线 2 平面电感器平面电感器 集总电感器有 直线电感 折线电感 单环电感和多圈电感等 其导线长度均应远远小于波长 才具有集总参数电感特性 在以往的 MMIC 设计中通常使用平面螺旋电感 近年来 随着国外 MMIC 工艺 的开发与应用 微波元件的微型化程度已经接近于毫米波量级 但微 带平面螺旋电感的性能却越来越不能满足实际要求 这主要是因为其 分布寄生电容随着微型化和频率不断提高而越显重要 另外其占用基 片的面积比其它元器件大的多 因此寻找一种能够代替平面螺旋电感 的新型结构具有现实的意义 7 3 平面电容器平面电容器 由于微带断面隙缝的电阻值很小 一般不作电容使用 交叉指电 容利用叉指条间耦合电场构成电容 可以获得较大电容量 若需要更 大容量时 可采用叠层电容 又称 MIM 电容 一个设计好的电容器 其纵向长度和横截面积的尺寸均应远远小于介质膜中传播的波长 4 电阻电阻 MMIC 的电阻作为耦合器 功率合成器和分配器等元件的终端电 阻 也有用于偏置网络 衰减器和 RC 滤波器的电阻 MMIC 中的电阻有薄膜电阻和体电阻两类 电路中要求电阻材料 具有较好的稳定性 低的温度系数及电阻值的要求 单位面积阻值 10 2000 范围 在选择类型和进行设计时还应考虑允许的电流密 度 功率 温度系数以及可靠性等因素 2 1 3 有源器件 2 1 3 有源器件 与 MIC 中常用的晶体管基本一样 三极管几乎都采用场效应晶体 管 FET 也使用双栅场效应管 GGFET HEMT HBT 等 二极 微波集成电路及其 CAD 概念综述 7 管有肖特势垒二极管 变容管 体效应管 PIN 二极管等 6 在 MMIC 中各种晶体管均采用管芯结构 以缩短元件之间的互连线 减少焊点 无管壳封装参数 从而提高极限频率 展宽工作频带 改善可靠性 在单片微波集成电路中 微波半导体器件的制造工艺基本上与分 立元件相同 包括外延生长 氧化层生长 扩散 金属化以及光刻 不论那一种晶体管 在 MMIC 中都是平面结构 这些微波器件都可以 用选择生长或台面的方法做成平面形式 2 2 MMIC 的设计原理的设计原理 典型的 MMIC 设计程序 如图 2 1 所示 1 设计的依据是有用户 提出的技术指标依据自己的设备条件 根据系统要求决定电路拓扑 采用器件的类型 由于集成电路制成后无法调整 需精确而全面的设 计电路模块和元件模块 而且还要计入加工中引起的误差 因此必须 采用计算机辅助设计方法 对电路参数进行优化 获取元件的最佳值 其中匹配网络的选择对设计能否实现有很大的作用 MMIC 的元件不能筛选 修复或更换 例如微带线 宽的微带线 具有阻抗低 损耗小的特性 一般阻抗在 30 100 范围内 传输线 宽度的任何变化都将引起阻抗的不连续性 制造过程中 分布式元件 比集总元件较容易控制 虽然分布式元件占的空间大 但是由于制作 的工艺简单 制造偏差的影响小 所以较多的被采用 设计中的器件数据 器件参数变化是制造公差的函数 设计时必 须选取在带宽范围内的参数值 以扩大电路的适应性 因此要求设计 低灵敏度电路 着眼点不是电阻 电感 电容或其它参数的绝对值 而是它们之间的比例 在使用 CAD 进行设计时再作调整 MMIC 设计需要适合的 CAD 软件 设计的优化 差容分析 稳 定性的检验等都由计算机来完成 然后由专门的软件画出电路图形 根据图形刻制红模 制作掩模加工成集成电路芯片 经过初试 再切 成小片 最后经过射频测试 检验全部电性指标 制作单片微波集成电路时 有一些特点需注意 1 要选用低灵敏度电路 MMIC 的集成度越高 元件越多 在 微波集成电路 课程专题讲座之一 2003 年 3 月 哈工大 吴群 8 加工过程中出现偏差必然越多 MMIC 元件不能够筛选 修复或者更 换 所以对元件允许有较大的公差 因此需选用低灵敏度电路 而机 助设计是实现这一类电路更有效的手段 2 要尽量减小电路尺寸 在微波 毫米波频段 通常采用分布 参数谐振回路的电路元件 3 由于元件 部件尺寸小 所以在电路结构上容易实现负反馈 电路 以扩展频带和改善性能 4 分布参数电路比集中参数元件电路制作工艺简单 但尺寸较 大 故需将微带线折弯或盘绕 这将产生线间耦合 设计时除了考虑 将线间距离控制在 2 到 3 倍的基片厚度外 还需用更精确的电磁场数 值分析法 进行分析和计算 以提高精度 5 电路高温工作的可靠性 小信号 MMIC 的散热问题较容易 解决 但对于功率放大电路 需要考虑封装的热组件和工作环境条件 6 关于抗辐射问题 现代电子系统有抗辐射的要求 故在集成 电路中提出了 辐照硬度 radiation hardness 的指标 记载生产过程 中为确保质量 需挑选那些能承受辐射的产品 随着 MMIC 应用的不同 以上 6 个方面的重要性随之而变 1 微波集成电路及其 CAD 概念综述 9 图 2 1 MMIC 设计程序流程图 用户技术说明 系统要求 器件特性 选择有元器件和匹配网络 数据库 器件嵌入 选择电路拓扑 选择 CAD 计算机辅助设计 容差分析 包括不连续性 CALMA 线路工艺图 掩模制造 处理 加工 切成小片和直流测试 射频测试 微波集成电路 课程专题讲座之一 2003 年 3 月 哈工大 吴群 10 第第 2 章章 MMIC 的设计原理的设计原理 2 2 MMIC 的基本构成的基本构成 2 1 1 MMIC 的基片材料的基片材料 MMIC 的基片材料一般多采用 GaAs 材料 它兼有两种功能 一 是作为电路的支撑体 二是作为半导体有源器件的原材料 1 GaAs 材 料具有低损耗 高介电常数 并且与金属有良好的附着力 GaAs 本 身具有抗辐射性 这在军用系统中具有重要的意义 MMIC 的制作是 在半绝缘的 GaAs 基片表面局部区域掺杂构成有源器件 MESFET HEMT HBT 及二极管 而 GaAs 基片表面的其余部分则作为微波匹 配电路和无源元件载体 GaAs 基片厚度常选取为 0 1 0 3mm 面积 0 5 0 5mm 2 到 5 5mm 2 之间 70 年代 MMIC 的基片基本使用 GaAs MESFET 材料 随着频道的 拥挤 毫米波段的开发 80 年代后期的 GaAs MESFET 受到 InGaAs HEMT 的挑战 之后 MESFET 与 HEMT 相辅相成 为微波和毫米 波提供满意的有元器件 90 年代 便携电话 个人移动手机 的迅速发展对半导体器件提 出了更苛刻的要求 突出的关心低造价 高效率 低电压 低相位噪 声 这迫切的需要人们寻找一些更重要的半导体材料以适应 MMIC 的 研究制造 如 IBM 首先提出了 SiGe HBT 这种器件表现出了极好 的性能 由于这是以 Si 为基础的工艺 所以器件工艺比较成熟 且造 价低 易与现存的 Si IC 接口 它的 PAE 放大器功率附加效率 可 达 70 与 MESFET 相同 最突出的优点是具有极低的相位噪声 2 1 2 无源元件无源元件 MMIC 常用的无源元件有两类 6 一类是集总元件 尺寸通常小 于 0 1 波长 另一类是分布元件 其中 10 20GHz 波段使用集总元件 而高于 20GHz 易采用分布元件 在频率较高时 集中参数的电感 电 容和电阻不能简单的当成理想的 L R 和 C 还应考虑它们的寄生参 量 当作一个网络来处理 微波集成电路及其 CAD 概念综述 11 1 传输线元件 1 传输线元件 在 MMIC 中常用的分布参数元件是微带线 槽线和共面线 其中 微带线元件是 MMIC 无源元件的最主要形式 基于 GaAs 基片的面积 有限 所以电长度必须尽量小 通常还需要把微带线折弯以充分利用 基片面积 6 微带线间距离宜大于基片厚度的 2 倍 以减小线间耦合 的影响 近年来随着通孔接地技术的改进 更多的倾向于微带线 2 平面电感器平面电感器 集总电感器有 直线电感 折线电感 单环电感和多圈电感等 其导线长度均应远远小于波长 才具有集总参数电感特性 在以往的 MMIC 设计中通常使用平面螺旋电感 近年来 随着国外 MMIC 工艺 的开发与应用 微波元件的微型化程度已经接近于毫米波量级 但微 带平面螺旋电感的性能却越来越不能满足实际要求 这主要是因为其 分布寄生电容随着微型化和频率不断提高而越显重要 另外其占用基 片的面积比其它元器件大的多 因此寻找一种能够代替平面螺旋电感 的新型结构具有现实的意义 7 3 平面电容器平面电容器 由于微带断面隙缝的电阻值很小 一般不作电容使用 交叉指电 容利用叉指条间耦合电场构成电容 可以获得较大电容量 若需要更 大容量时 可采用叠层电容 又称 MIM 电容 一个设计好的电容器 其纵向长度和横截面积的尺寸均应远远小于介质膜中传播的波长 4 电阻电阻 MMIC 的电阻作为耦合器 功率合成器和分配器等元件的终端电 阻 也有用于偏置网络 衰减器和 RC 滤波器的电阻 MMIC 中的电阻有薄膜电阻和体电阻两类 电路中要求电阻材料 具有较好的稳定性 低的温度系数及电阻值的要求 单位面积阻值 10 2000 范围 在选择类型和进行设计时还应考虑允许的电流密 度 功率 温度系数以及可靠性等因素 2 1 3 有源器件 2 1 3 有源器件 与 MIC 中常用的晶体管基本一样 三极管几乎都采用场效应晶体 管 FET 也使用双栅场效应管 GGFET HEMT HBT 等 二极 微波集成电路 课程专题讲座之一 2003 年 3 月 哈工大 吴群 12 管有肖特势垒二极管 变容管 体效应管 PIN 二极管等 6 在 MMIC 中各种晶体管均采用管芯结构 以缩短元件之间的互连线 减少焊点 无管壳封装参数 从而提高极限频率 展宽工作频带 改善可靠性 在单片微波集成电路中 微波半导体器件的制造工艺基本上与分 立元件相同 包括外延生长 氧化层生长 扩散 金属化以及光刻 不论那一种晶体管 在 MMIC 中都是平面结构 这些微波器件都可以 用选择生长或台面的方法做成平面形式 2 2 MMIC 的设计原理的设计原理 典型的 MMIC 设计程序 如图 2 1 所示 1 设计的依据是有用户 提出的技术指标依据自己的设备条件 根据系统要求决定电路拓扑 采用器件的类型 由于集成电路制成后无法调整 需精确而全面的设 计电路模块和元件模块 而且还要计入加工中引起的误差 因此必须 采用计算机辅助设计方法 对电路参数进行优化 获取元件的最佳值 其中匹配网络的选择对设计能否实现有很大的作用 MMIC 的元件不能筛选 修复或更换 例如微带线 宽的微带线 具有阻抗低 损耗小的特性 一般阻抗在 30 100 范围内 传输线 宽度的任何变化都将引起阻抗的不连续性 制造过程中 分布式元件 比集总元件较容易控制 虽然分布式元件占的空间大 但是由于制作 的工艺简单 制造偏差的影响小 所以较多的被采用 设计中的器件数据 器件参数变化是制造公差的函数 设计时必 须选取在带宽范围内的参数值 以扩大电路的适应性 因此要求设计 低灵敏度电路 着眼点不是电阻 电感 电容或其它参数的绝对值 而是它们之间的比例 在使用 CAD 进行设计时再作调整 MMIC 设计需要适合的 CAD 软件 设计的优化 差容分析 稳 定性的检验等都由计算机来完成 然后由专门的软件画出电路图形 根据图形刻制红模 制作掩模加工成集成电路芯片 经过初试 再切 成小片 最后经过射频测试 检验全部电性指标 制作单片微波集成电路时 有一些特点需注意 1 要选用低灵敏度电路 MMIC 的集成度越高 元件越多 在 微波集成电路及其 CAD 概念综述 13 加工过程中出现偏差必然越多 MMIC 元件不能够筛选 修复或者更 换 所以对元件允许有较大的公差 因此需选用低灵敏度电路 而机 助设计是实现这一类电路更有效的手段 2 要尽量减小电路尺寸 在微波 毫米波频段 通常采用分布 参数谐振回路的电路元件 3 由于元件 部件尺寸小 所以在电路结构上容易实现负反馈 电路 以扩展频带和改善性能 4 分布参数电路比集中参数元件电路制作工艺简单 但尺寸较 大 故需将微带线折弯或盘绕 这将产生线间耦合 设计时除了考虑 将线间距离控制在 2 到 3 倍的基片厚度外 还需用更精确的电磁场数 值分析法 进行分析和计算 以提高精度 5 电路高温工作的可靠性 小信号 MMIC 的散热问题较容易 解决 但对于功率放大电路 需要考虑封装的热组件和工作环境条件 6 关于抗辐射问题 现代电子系统有抗辐射的要求 故在集成 电路中提出了 辐照硬度 radiation hardness 的指标 记载生产过程 中为确保质量 需挑选那些能承受辐射的产品 随着 MMIC 应用的不同 以上 6 个方面的重要性随之而变 1 微波集成电路 课程专题讲座之一 2003 年 3 月 哈工大 吴群 14 图 2 1 MMIC 设计程序流程图 用户技术说明 系统要求 器件特性 选择有元器件和匹配网络 数据库 器件嵌入 选择电路拓扑 选择 CAD 计算机辅助设计 容差分析 包括不连续性 CALMA 线路工艺图 掩模制造 处理 加工 切成小片和直流测试 射频测试 微波集成电路及其 CAD 概念综述 15 第第 4 章章 微波集成电路微波集成电路 CAD 技术技术 4 1 引言引言 随着电路的复杂程度和工作频率的不断提高 微波集成电路体积 小 密度大 寄生参数和环境因素与分立元件已不大相同 从而对电 路进行实地测量调试十分困难 甚至不可能 因而用计算机程序 通 过仿真电路的电气性能进行优化设计 15 计算机辅助设计 Computer Aided Design CAD 的发展开始于 70 年代 16 CAD 对缩短产品的设 计周期 提高产品的质量 降低产品成本起着极其重要的作用 在 CAD 被广泛应用之前 微波电路的设计不得不依靠带有一定盲目性的人工 调试 这样不但延长研制周期 增加了产品成本 也不易使产品达到 要求的性能指标 在微波工程方面 CAD 技术的关键与其他领域有所不同 在 MIC CAD 中 各种传输线及其不均匀区模型 元件之间的寄生藕合模型以 及微波有源器件的非线性模型等在技术上有很大的难度 16 4 2 MIC CAD 技术应用的发展技术应用的发展 CAD 在微波领域的大规模应用开始于 70 年代末美国 COMPACT 公司 Peterson NJ 开发的通用微波电路分析和优化设计软件 Compact 的推广 起初是在分时系统上为用户服务 后来发展成为向用户提供 PC 版和工作版的软件包 微波电路 CAD 软件这一设计工具已被广泛应用于微波低噪声放 大器 微波功率放大器 微波混频器 微波压控 介质振荡器 微波滤 波器 微波功率合成 分配器 微波电调衰减器等部件的设计 为了缩 短产品研制周期 降低成本 提高产品性能指标 微波电路 CAD 软 件已成为微波电路设计的必备工具 微波电路 CAD 与一般的电子线路 CAD 相比有以下几个特点 1 微波电路 CAD 必须有精确的传输线模型和各种微波部件 模型 2 微波电路 CAD 中采用电磁仿真等数值工具 微波集成电路 课程专题讲座之一 2003 年 3 月 哈工大 吴群 16 3 微波电路 CAD 软件一般都有 S 参数分析的功能 80 年代 CAD 主要依靠 Super compact MW space Tochstone 以及 MDS 虽然它们的功能强大 但都存在一个共同的弱点即必须从 路 Circuits 出发 如果某个 EM 问题不能化成比和解的 路 则 CAD 便很难进行 由此使 CAD 的应用面及精确度受到很大局限 近 年来 随着计算机功能的日益强大 使得 时域法 得以实现 时域法 可以计算非线性及时变参数效应 能清楚的阐明所研究现象的物理原 理 因而可以创造出优异的电路和系统设计 特别是由于近年来个人 工作站的出现 使得 CAD 过程可直接调用 电磁模拟器 从而直接由 EM 场出发 而不经过 路 的转换 使过去许多工作中难以处理的电 磁模型迎刃而解 11 如今随着电磁仿真技术的发展 高频电磁仿真技术在 MIC CAD 精确的微波器件模型设计领域中日趋成熟 17 微波集成电路 CAD 技 术已经广泛的应用于单片 MIC 的设计中 CAD 在电子工程中已经发 展成电子自动化 Electronic Design Automation 缩写为 EAD 和电 子系统设计自动化 Electronic System Design Automation 缩写为 ESDA 在 EDA 中 微波电路 CAD 是一个重要的单元 EDA 还包括 电路的输入 硬件描述语言 逻辑综合 逻辑仿真和优化 时序仿真 模拟仿真 混合仿真 优化设计 布局布线 参数提取 系统仿真 电磁兼容设计 元件和电路版热分析 机电一体化设计等 新的 CAD 方法的探索主要表现为人工智能和人工神经网络的采 用 其中人工智能的工作使用布图识别和专家知识控制仿真工具对 MIC 和 MMIC 进行分析 10 例如对一个螺旋电感可根据其图形对不 同部分分别采取不同的方法来分析 而人工神经网络的工作是对微波 电路的准确设计 采用多层感知元神经网络 MLPNN 经过训练可以 计及耗散和互耦等影响 准确的计算微波甚至毫米波元件 虽然这些 探索还很初步 但是存在着很大的潜力 可以设想出 如果他们的开 发能过成功 将会对微波集成电路的设计起着巨大的推动作用 4 3 MIC CAD 的内容的内容 15 16 1 线性微波电路的交流小信号分析和 S 参数分析 微波集成电路及其 CAD 概念综述 17 用于计算加有信号源的线性微波电路的节点电压 支路电流以及 由此导出的其它电特性参量 和计算内部不含信号源的线性微波电路 的 S 参数 2 微波电路的直流分析 用于计算加有直流电源的微波电路中的直流工作点 1 非线性微波电路的谐波分析 用于分析弱非线性微波电路稳态特性 包括功率压缩特性 谐波分 布 交调特性 稳态波形等 2 非线性微波电路的瞬时分析 用于分析强非线性微波电路的特性 包括顺态波形和脉冲数字电路 等 3 微波电路的噪声分析 用于分析线性和非线性微波电路的噪声特性 如振荡器相位噪声分 析 晶体管噪声模型参数提取 低噪声放大器等 4 微波电路的优化设计 用户给定电路的拓扑结构 各元件初始值和和电路的设计指标 CAD 软件自动改变元件值 直到满足电路的设计指标为止 5 微波电路的容差分析和容差设计 计算元件的允许公差 分析元件公差的各种分布形势和元件工差对 微波电路特性的影响以及通过改变元件的中心值来使产生的电路达到 最高的成品率 6 微波部件和电路的电磁仿真 采用电磁场数值计算方法 配以方便的用户界面 用于一些微波部 件和电路的仿真 主要真对那些在微波电路 CAD 软件的元件库中没 有列入的元件或已列入但模型精确度不够的元件 以及必须精确计算 元件间寄生耦合的电路 7 微波集成电路的布线和版图设计 自动和交互式将微波电路的电原理图转换成微波集成电路的工艺 版图 进行设计规则检查 并可将版图数据转换成 Gerber GDS 2 IGES HP EGS 等数据格式 以便于同掩模制作设备接口 微波集成电路 课程专题讲座之一 2003 年 3 月 哈工大 吴群 18 8 微波元件和电路的计算机辅助测试 包括测量系统的校准 晶体管壳支架参数的剥离 测量仪器和微波 电路软件接口 作为计算机插件的微波测量仪器 如 INSTRUMENT ENGINES 9025 频普分析仪 等 9 微波器件的建模和参数提取 包括各种微波半导体器件的建模和参数提取 微波分布参数和集总 参数元件的试验建模 标准工艺加工线 Fondry 元件数据库等 10 微波系统仿真 对各种不同规模的微波系统进行仿真 以便得到系统的各种特性能 指标 11 微波滤波器和匹配网络的综合 在电路设计时 用户给定的要求数据是电路特性指标和网络阶数等 网络指标 经软件进行综合运算后 输出符合或接近这些指标的电路 结构和元件值 12 微波电路和系统设计的专家系统 用户通过使用这种专家系统可以享用微波电路和系统设计的知 识和经验 13 微波部件和电路的热分析 包括分析微波部件和电路的温度分布和温度变化对电特性的影 响 4 4 HP 公司微波电路公司微波电路 CAD 软件功能概览软件功能概览 4 4 1 HP 85150 微波设计系统微波设计系统 Microwave Design System 缩写为 MDS HP 85150B 微波设计系统是一个集成式的微波设计系统 它由交 互式设计捕获系统 Design Capture 微波线性与非线性仿真器 Microwave Linear 通用非线性分 析和优化 包括放大器 混频器和振荡器等 直流偏置点优化 电路 中任意参数的扫描 包括偏置 电阻 删结电容 信号源功率等 3 微波工艺版图生产器 把微波线性与非线仿真器设计的电路的电原理图通过自动或交互 的方式转换成微波集成电路的多层工艺版图 并可直接对工艺版图所 描述的电路结构进行电特性仿真 对微波集成电路进行图形编辑 将 微波集成电路的多层工艺版图的数据转换成 HP EGS IGES Geber Format GDS 2 Stream File 等格式用于红模或掩模的自动加工 MDS 微波设计系统中还提供了一种图形描述语言 设计数据库 语言 Design Database Language 缩写为 DDL 使用户可以在微波集 成电路的多层工艺版图中加入一些特殊的元件图形 4 文档工具 为用户编写技术文档提供了极大的方便 用户在该微波设计系统 的环境中可以作为文档工具 文档工具的一个重要的特点是数据的自 动更新 用户可以指定文当中的某些数据为 动态 这些数据取自 MDS 的其它模块所处理的数据 这样 当这些数据在 HP 85150B 微波设计 系统的其它模块中被改变时 在文档工具所处理的文档中也自动的改 变 文档工具还提供直接输出硬拷贝的功能以及和桌面印刷系统的接 口 微波集成电路 课程专题讲座之一 2003 年 3 月 哈工大 吴群 20 4 4 2 HP 85180A 高频结构仿真器高频结构仿真器 HP 85180A High Frequency Structure Simulator 缩写为 HFSS HP 85180A 高频结构仿真器是一个采用有限元法的三维仿真软 件 可以处理任意形态的微波电路与元件结构 自动产生有限元自适 应网格 并可考虑介质材料 磁性材料 薄膜电阻材料和有损导体材 料 用户通过交互式界面可以输入高频元件或电路的几何结构 材料 类型 端口位置 端口特性阻抗定义线等参数 软件给出了多口网络 S 参数 可视化的结构内电磁场或电流分布的静止或流动画面 4 4 3 HP 矩量法仿真器矩量法仿真器 HP Momentum HP 矩量法仿真器是一个采用矩量法的 二维半 电磁场仿真软件 所谓的 二维半 是指多层平面结构 这是一种特殊但是很常用的三维 结构 HP 矩量法仿真器可以处理任意形状的多层平面传输线电路结 构并可考虑开放结构辐射损耗 自动化分矩量法所需的矩形或三角形 单元 软件可给出网络 S 参数 Y 参数 Z 参数并有可视的电磁场或 电流分布画面 HP 矩量法仿真器的运算速度大大高于 HP 85180A 高 频结构仿真器 HP 矩量法仿真器可以集成在 HP 85180A 微波设计系 统环境中 4 4 4 HP 85154A 高频瞬态仿真器高频瞬态仿真器 HP 85154A High Frequency Transient Simulator 缩写为 HP Impules HP 85154A 高频瞬态仿真器采用类似 SPICE 的算法 加入了动 态卷积算法来直接处理输入的以 S 参数描述的元件 HP 85154A 高频 瞬态仿真器特别是和用于强非线性微波电路和超高速脉冲数字电路的 设计 用户通过交互式界面输入电路的电原理图或系统的方框图等 也可通过接口读入 SPICE 网表文件 软件给出电路或系统指定电的瞬 态波形等电特性 HP 85154A 高频瞬态仿真器可以完全集成在 HP 85150B 微波设计系统环境中 4 4 5 SPICE SPICE 具有一般微波电路 CAD 软件所不具备的直流直流分析和 时域态分析功能 15 在分析强非线性微波电路和分析超高速脉冲数字 电路是具有很大的优势 一方面 标准 SPICE 的用户可以运用自己的 微波集成电路及其 CAD 概念综述 21 微波专业知识自定以适当的微波元件模型 例如 自定义导体耦合线 的模型 定义含有封装寄生元件的晶体管模型以及考虑了寄生参量的 片状电阻 片状电容模型等 还可以通过适当安排激励源和对输出结 果进行后处理来得到微波电路中常用的 S 参数 另一方面 一些软件 厂商推出了适合微波和超高速数字电路 CAD 的各种的扩充版本 例 如 HP Eesof 公司的 HP Impulse Microwave SPICE COMPACT 公司 的 Super Spice 等 在这些软件中 有的采用了色散传输线和多导体 耦合线的模型 有的采用了卷积几分方法处理元件的 S 参数 例如 Super Spice 有 5 层介质 4 层信号线的多导体传输线模型 可以用于 分析超高速集成电路中的信号延迟 畸变 串扰和汇波效应 HP Impulse 中的输入元件可以用一组 S 参数描述 Eesof 公司在 Berkey SPICE 的基础上推出的 MW SPICE 程序 是 一种通用的仿真程序 可以仿真各种电子线路 分立或集成的 模拟 或数字 单元电路或比较复杂的子系统 频率从直流到微波近100GHz 时电路分析 MW SPICE 电路设计特别是 MIC 分析和设计的重要手 段 4 5 MIC CAD 的基本实施过程的基本实施过程 一般的软件实施过程大致相同 基本上可分为五个过程如图 3 4 1 所示 1 根据电路的指标确立电路形式 这是电路设计的一个重要环 节 设计者的经验起着重要的作用 正确选取电路形式 常常可以使 整个设计工作事半功倍 2 输入电路 首先设计者要将设计的电路结构输入计算机 软件 使用者必须正确的根据软件的要去 将电路划分为不同的元件组合 建立相应的数据库文件 电路输入的同时 也意味着将复杂的电路按设计者的想法变成软件 的模型组合 这种将电路到模型的分解需操作者仔细考虑 3 仿真优化 利用软件的功能 对输入的电路进行仿真或优化计 算 在计算的过程中 软件的使用者要正确的选取中间变量 选用正 确的计算方法 软件可以很快给出电路性能参数 微波集成电路 课程专题讲座之一 2003 年 3 月 哈工大 吴群 22 通常给出的电路初值 很难满足要求 要用软件的参数扫描或优化 仿真的功能 改善性能 得到满足指标要求的电路 软件优化仿真的基本过程是 1 用户选取电路的拓扑结构和元件初值 以及元件值的允许变化范围 通常指元件的上限下限 2 用户通过设定目标函数给定电路的设计指标 3 软件自动改变电路的元件值使目标函数最小 此时电路特性分析结 果满足或最接近设计指标 从而使用户得到满足或接近设计指标的 电路 4 1 微波电路 CAD 设计过程 用户要求 电路设计指标 选择电路形式 电路元件输入 将电路模型划 电路仿真优化 电路优化仿真 仿真结果显示 加工设计 否 工艺图形成 是否满足用户要求 是 设计完成 4 给出改变后的元件值 计算机的方针优化存在一定的局限性 它表现在 一 电路的拓扑结构和元件初值选定虽然有时可用微波网络综合的方 微波集成电路及其 CAD 概念综述 23 法 但通常还是需用户凭经验给定 二 电路优化经常会陷入局部最小点 使电路的设计结果和元件初值的 选取关系极大 5 显示结果 大多数软件都可以方便的显示仿真优化的结果 随 时根据需要 察看计算结果 为了分析设计的成功与失败的原因 加 快设计过程 检查设计结果非常重要 6 工艺图的形成 软件的工艺图自动形成 不仅为设计者实现电 路设计提供了方便的工具 而且及其生成的工艺图往往和软件的模型 有着很好的一致性 可以避免由于人工原因造成的差错 4 6 国外主要软件厂商及其产品概况国外主要软件厂商及其产品概况 表 4 2 列举了主要软件厂商及其产品概况 厂商厂商 产品产品 主要功能主要功能 软件平台软件平台 HP MDS 非线性微波电路设计 UNIX HP HFSS 电磁仿真 UNIX HP Momentum 平面结构电磁仿真 UNIX HP Impulse 超高速脉冲数字电路设 计 UNIX IC CAP 器件参数提取 UNIX Tochstone 线性微波电路设计 DOS Windows Libra 非线性微波电路设计 DOS Windows OmniSys 系统仿真 UNIX E Syn 滤波器设计 DOS jOmega 射频电路设计 UNIX Convolution Test Bench 时域分析 UNIX Transient Test Bench SPICE 仿真 UNIX Hp Eesof Inc Communica tion Design Suite Board level 设计 UNIX 微波集成电路 课程专题讲座之一 2003 年 3 月 哈工大 吴群 24 厂商厂商 产品产品 主要功能主要功能 软件平台软件平台 Anderson Software Associates Circulator CAD 波导环形器设计 Windows Maxwell SI Spicelink 超高速信号完整性电磁 仿真的 SPICE 接口 DOS UNIX Maxwell SI Eminence 超高速信号完整性电磁 仿真的 SPICE 接口 DOS UNIX Ansoft Maxwell SI Extractor 超高速信号完整性电磁 仿真的 SPICE 接口 DOS UNIX Besser Associates EEZ Match 史密斯圆图分析 DOS PAWS 相控振天线分析 DOS CAE Software Corp IRSS 雷达信号仿真 DOS DGS Associates Inc S FILSYN 无源滤波器设计 DOS SuperComp act Microwave 线性微波电路设计 DOS UNIX Windows Compact Software Inc Harmonica 非线微波电路设计 Serenade 电原理图输入 Scout 光纤仿真 Super spice 微波 SPICE Success 系统仿真 Compact Software Inc Explorer 电磁仿真 DOS UNIX Windows DGS Asso ciates In FILSYN 无源滤波器设计 DOS UNIX Zeland Software IE3D 电磁仿真优化 DOS M FILTER 无源滤波器设计 SUPERSTAR 线性微波仿真 OSCILLATOR 振荡器设计 TLINE 传输线分析 Eagleware Corp MATCH 阻抗匹配 DOS Windows 微波集成电路及其 CAD 概念综述 25 Focus Microware Ins W PADS 线性和非线性放大器设 计 和 微 波 调 配 系 统 DOS Windows Focus Microware Ins 厂商厂商 产品产品 主要功能主要功能 软件平台软件平台 Ing SOFT Ltd RF Design 射频电路仿真 Mac Ing SOFT Ltd RF Laplace MacNel Schwe ndler Crop MSC EMAC SPICE 模 数混合仿真 UNIX MicroSim CropDesign Center 电路仿真 DOS Mac Windows UNIX Microwave Software MicroWorks 电路仿真和优化 DOS Nedrud Data System Dargon Wave 参数提取 Mac Sonnet Softwarem 电磁仿真 DOS UNIX Windows HarPE 参数提取 UNIX OSA90 模拟电路设计 优化 UNIX Southwest Microsyste ms LINEFILT 传输线分析 DOS TransCAD 传输线分析 DOS SysCAD 系统分析 DOS FilSolv 滤波器设计 DOS 微波集成电路 课程专题讲座之一 2003 年 3 月 哈工大 吴群 26 第第 7 章章 MMIC 的发展趋势的发展趋势 7 1 MMIC 发展趋势发展趋势 通过以上对国内外 MMIC 技术进展现状的分析 和对国内外有关 MMIC 器件研究报道资料的综合 对 MMIC 的未来发展趋势作出如下 预测 1 MMIC 基片材料的完善基片材料的完善 1 GaAs MESFET 材料材料 在MMIC发展的初期阶段使用的基片材料通常是GaAs MESFET 就目前的技术水平而言 GaAs MESFET 技术已经达到相当完善的程 度 MESFET 和以其为核心的 MMIC 的可靠性已经达到很高的水平 但是由于 GaAs MESFET 材料的价格一直较高 这对 MMIC 的大 批量产生了一定的影响 今后的发展趋势是进一步改进 GaAs MESFET 材料的制造工艺以实现低成本 低价格 2 InGaAs HEMT 材料材料 随着频段的拥挤 毫米波段的开发 MESFET 与 HEMT 相辅相成 为微波和毫米波提供了满意的有源器件 但是由于材料和工艺水平的 原因 HEMT 的可靠性水平还有待提高 今后的目标是要进一步解决 HEMT 在制造过程中因异质结构和惨杂引入等有关问题 3 SiGe HBT 材料材料 目前 SiGe HBT 只能在 10GHz 以下以表现出良好的性能 但是这 种材料优越的性能 和巨大的发展潜力 受到各国材料制造业的重视 德国奔驰研究中心 A Gruhel 预测 不久在 20GHz 下 SiGe HBT 的噪声 指数也将