24～30 GHz GaN HEMT單片集成單刀雙擲開(kāi)關(guān)

曾丁元 朱浩慎,2 馮文杰 車(chē)文荃，2 薛泉，2

0 引言

由于5G移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展,Sub-6 GHz頻段擁擠的頻譜資源已難以滿(mǎn)足5G無(wú)線(xiàn)通信的超高數(shù)據(jù)速率需求．毫米波頻段具有豐富的頻譜,是5G技術(shù)發(fā)展的必然選擇．3GPP已經(jīng)明確n257(28 GHz)和n258(26 GHz)頻段為5G毫米波的優(yōu)先部署頻段．因此,近年來(lái)在上述頻段開(kāi)展了較多的研究工作[1-2],也得到非常多的關(guān)注．

在時(shí)分雙工通信系統(tǒng)中,單刀雙擲開(kāi)關(guān)(Single-Pole Double-Throw,SPDT)控制發(fā)射和接收信號(hào)鏈路,通常置于天線(xiàn)與功率放大器和低噪聲放大器之間作為連接模塊,是收發(fā)系統(tǒng)中的關(guān)鍵模塊之一．對(duì)于接收鏈路而言,開(kāi)關(guān)的插入損耗直接影響整個(gè)系統(tǒng)的噪聲性能,而對(duì)于發(fā)射鏈路則主要影響輸出的功率以及功率附加效率[3]．毫米波頻段前端模組中的開(kāi)關(guān),需要低的插入損耗來(lái)減小開(kāi)關(guān)對(duì)整體系統(tǒng)性能的惡化．在傳統(tǒng)射頻前端中,開(kāi)關(guān)與功率放大器和低噪聲放大器通過(guò)封裝實(shí)現(xiàn)互連往往引入額外的損耗與失配,尤其在毫米波頻段,對(duì)性能惡化尤為顯著．因此,對(duì)于毫米波前端電路,各模塊采用同種工藝實(shí)現(xiàn)并單片集成有利于降低損耗,提升集成度．

過(guò)去,工作在毫米波頻段的單刀雙擲開(kāi)關(guān)多使用CMOS、GaAs等工藝實(shí)現(xiàn)[4-5]．CMOS開(kāi)關(guān)以其成熟的工藝技術(shù),可以做到易集成、低成本但是其器件的擊穿電壓低,功率容量受限．GaAs開(kāi)關(guān)擁有較低的插入損耗以及隔離性能,但相較于近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的GaN開(kāi)關(guān)技術(shù),其襯底的熱導(dǎo)率以及擊穿電壓較低,導(dǎo)致功率密度不及GaN開(kāi)關(guān)．由于寬禁帶半導(dǎo)體GaN在大功率射頻功放的功率密度以及效率等方面具有顯著優(yōu)勢(shì),成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)．隨著5G毫米波技術(shù)的發(fā)展,研究大功率高效率毫米波集成前端具有廣闊的應(yīng)用前景．近期研究表明,GaN開(kāi)關(guān)也可實(shí)現(xiàn)良好的插入損耗和隔離度性能．因此,利用GaN單片微波集成電路技術(shù)(MMIC)實(shí)現(xiàn)射頻開(kāi)關(guān)并與GaN功率放大器和低噪聲放大器實(shí)現(xiàn)單片集成,可在大功率毫米波前端方面獲得更優(yōu)的性能[6]．2015年中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所的郭豐強(qiáng)等[7]設(shè)計(jì)出了工作在Ku波段的GaN大功率單刀雙擲開(kāi)關(guān),其插入損耗小于0.9 dB,隔離度大于27 dB,可承受10 W的連續(xù)波輸入功率;2015年北京理工大學(xué)的郭德淳教授團(tuán)隊(duì)在第16屆通信技術(shù)國(guó)際會(huì)議上發(fā)表了Ka波段的寬帶GaN開(kāi)關(guān),采用1/4波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換并聯(lián)結(jié)構(gòu),且并聯(lián)晶體管采用兩個(gè)對(duì)稱(chēng)并聯(lián)形式以增大隔離度,設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)在30～40 GHz頻帶內(nèi)插入損耗小于2 dB,隔離度優(yōu)于25 dB,回波損耗優(yōu)于18 dB,輸入功率1 dB壓縮點(diǎn)可達(dá)39 dBm[8];2019年羅馬第二大學(xué)的Polli等[9]采用100 nm GaN工藝設(shè)計(jì)出了一款應(yīng)用于空載衛(wèi)星的Ka波段單刀雙擲開(kāi)關(guān),不同于傳統(tǒng)并聯(lián)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu),該開(kāi)關(guān)使用串聯(lián)晶體管感性諧振結(jié)構(gòu),33～39 GHz頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了插入損耗為1.1 dB,隔離度為22 dB,以及39 dBm的輸入功率1 dB壓縮性能;2019年德國(guó)弗萊堡應(yīng)用固體物理研究所的Thome等[10]采用100 nm GaN工藝設(shè)計(jì)了一款28～51 GHz的單刀雙擲開(kāi)關(guān),采用1/4波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換并聯(lián)結(jié)構(gòu),插入損耗為1.4～2 dB,隔離度為23.5～27 dB．

本文基于硅基 GaN工藝設(shè)計(jì)了一款工作在24～30 GHz的單刀雙擲開(kāi)關(guān),可同時(shí)覆蓋5G毫米波的n257和n258頻段．該開(kāi)關(guān)通過(guò)采用1/4波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換并聯(lián)結(jié)構(gòu)來(lái)兼顧插入損耗和隔離度性能,輸入輸出端口均串聯(lián)MIM電容隔離直流成分并參與匹配．測(cè)試結(jié)果顯示所設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)插入損耗在24～30 GHz內(nèi),插入損耗低于1.5 dB,隔離度優(yōu)于28 dB,輸入功率1 dB壓縮點(diǎn)大于27 dBm(-5 V柵極偏置下),電路面積為1.08 mm2．

1 SPDT 開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)

本文研究的GaN開(kāi)關(guān)采用OMMIC的100 nm 的硅基GaN工藝(D01GH)適合微波和毫米波應(yīng)用,其工藝截面如圖1所示,包含空氣橋,使用兩層互聯(lián)金屬I(mǎi)N和MET1,可以實(shí)現(xiàn)繞線(xiàn)電感和微帶傳輸線(xiàn)．有高低密度兩種類(lèi)型的電容以及兩種類(lèi)型的電阻,高阻值電阻使用GaN有源層實(shí)現(xiàn),鉻鎳金屬電阻阻值較低但精度高,通孔穿過(guò)100 μm的高電阻率硅基板減少對(duì)地寄生電感．采用AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管(HEMT)作為開(kāi)關(guān)器件,具有100 nm柵長(zhǎng)的蘑菇型柵極,使用再生長(zhǎng)的歐姆接觸減小源極接觸電阻,特征頻率(ft)和最大振蕩頻率(fmax)分別為110 GHz和160 GHz．30 GHz測(cè)試的功率密度為3.3 W/mm,擊穿電壓為40 V[11]．HEMT作為開(kāi)關(guān)器件時(shí)的導(dǎo)通電阻(Ron)和關(guān)斷電容(Coff)分別為1.4 Ω·mm和0.45 pF/mm．

圖1 OMMIC D01GH工藝截面Fig.1 The cross section of OMMIC D01GH process

對(duì)于開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì),通常由HEMT器件的柵極電壓控制信號(hào)導(dǎo)通或者關(guān)閉．毫米波頻段的寄生效應(yīng)嚴(yán)重,而開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通電阻和關(guān)斷電容直接決定了開(kāi)關(guān)的插入損耗和隔離度性能,需仔細(xì)考慮開(kāi)關(guān)的尺寸以獲得滿(mǎn)足要求的性能．一般而言,當(dāng)HEMT器件柵極電壓Vg大于其截止電壓時(shí),HEMT器件導(dǎo)通,可簡(jiǎn)單等效為導(dǎo)通電阻Ron．而HEMT柵極電壓低于截止電壓時(shí),HEMT器件截止,可簡(jiǎn)單等效為關(guān)閉電容Coff．Ron與Coff的值越小則會(huì)獲得越好的開(kāi)關(guān)性能.如圖2所示:隨著HEMT器件柵寬增大,Ron減小,Coff增大；HEMT器件柵寬減小,則Ron增大,Coff減?。?dāng)柵寬為200 μm的時(shí)候,開(kāi)關(guān)器件的Ron約為6.8 Ω,Coff約為91 fF,此時(shí)可獲得較好的插入損耗和隔離度性能．若使用單級(jí)HEMT器件并聯(lián)開(kāi)關(guān)電路,則整體開(kāi)關(guān)電路的隔離度為20 dB左右,不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求．而為保證較低的插入損耗,HEMT器件柵寬不能增大以減小Ron來(lái)優(yōu)化隔離度性能．故需使用兩級(jí)并聯(lián)的開(kāi)關(guān)電路,第二級(jí)選擇較小柵寬的HEMT器件,如100 μm柵寬,以獲得較小的Coff值,避免開(kāi)關(guān)電路插入損耗性能惡化,同時(shí)兩級(jí)并聯(lián)結(jié)構(gòu)又能獲得較好的開(kāi)關(guān)隔離度．

圖2 不同柵寬開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通電阻和關(guān)斷電容Fig.2 Ron and Coff of the HEMT with different gate widths

本文設(shè)計(jì)的SPDT開(kāi)關(guān)為1/4波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換并聯(lián)結(jié)構(gòu),兩條支路為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),每條支路使用兩級(jí)HEMT器件并聯(lián)的拓?fù)湟垣@得較大的隔離度．圖3為設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)．TL1和TL2為微帶傳輸線(xiàn),理論上長(zhǎng)度為1/4波長(zhǎng)時(shí)可以獲得良好的隔離度,但一般只適用于頻帶較窄的設(shè)計(jì)．因此,在本文的設(shè)計(jì)中,需要適當(dāng)調(diào)節(jié)其長(zhǎng)度．此外,當(dāng)M1和M3關(guān)閉時(shí),該條支路導(dǎo)通,TL2與M1和M2關(guān)閉狀態(tài)下的等效電容Coff1和Coff2組成π型電路,并與TL1完成阻抗變換．C1和C2均為MIM電容參與電路的輸入和輸出匹配,并可隔離直流成分．

圖3 SPDT開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Topology of the proposed SPDT switch

利用電磁仿真工具ADS進(jìn)行優(yōu)化仿真,第一級(jí)HEMT器件M1和M2需選取較大尺寸以降低導(dǎo)通電阻增大隔離度,而第二級(jí)HEMT器件M3、M4尺寸較小,減小關(guān)斷電容降低插入損耗．最終優(yōu)化后選取M1和M2的柵寬為200 μm,M3和M4的柵寬為100 μm．C1為180 fF,C2為700 fF．該工藝50 Ω特性阻抗線(xiàn)寬為83 μm左右,不利于電路版圖布局．故電路中微帶線(xiàn)寬度均為40 μm,其特性阻抗約為67 Ω,與電路中其他元件互連并參與匹配．柵極電阻R用以隔離泄漏至柵極的射頻信號(hào),此處柵極電阻R的值為4 kΩ．電路整體控制電壓使用兩個(gè)PAD,控制電壓為0 V和-5 V．

2 仿真與測(cè)試結(jié)果

基于100 nm GaN工藝實(shí)現(xiàn)24～30 GHz的SPDT開(kāi)關(guān),電路版圖如圖4a所示,電路加工實(shí)物照片如圖4b所示,電路尺寸為630 μm×1 720 μm．開(kāi)關(guān)的測(cè)試方案如圖5所示,使用R&S?ZVA67矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試．采用在片的短路、開(kāi)路、負(fù)載、饋通校準(zhǔn)方案(SOLT)對(duì)電路3個(gè)端口進(jìn)行校準(zhǔn)．如圖5b所示,由于網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出的信號(hào)功率有限,故大信號(hào)S參數(shù)測(cè)試時(shí)在待測(cè)開(kāi)關(guān)的輸入端口加入了驅(qū)動(dòng)放大器來(lái)增大網(wǎng)絡(luò)分析儀輸入開(kāi)關(guān)的信號(hào)功率,并在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通支路的輸出端加入衰減器,衰減進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)分析儀的信號(hào)功率．

SPDT開(kāi)關(guān)電路經(jīng)在片測(cè)試,得到圖6所示的仿真與測(cè)試結(jié)果．測(cè)試時(shí),如圖4b所示,一條支路的控制電壓Vg2為0 V,該條支路斷開(kāi);另一支路控制電壓Vg1為-5 V,該支路導(dǎo)通．圖6a為開(kāi)關(guān)的輸入輸出回波損耗曲線(xiàn),S11和S22為導(dǎo)通支路輸入端口1和輸出端口2的回波損耗,24～30 GHz頻帶內(nèi)測(cè)試的輸入回波損耗大于15 dB,輸出回波損耗大于12 dB,均優(yōu)于仿真結(jié)果．圖6b為開(kāi)關(guān)的插入損耗(S21)和隔離度(S31、S23)曲線(xiàn),24～30 GHz頻帶內(nèi),測(cè)試的插入損耗低于1.5 dB(最低為1.18 dB),基本符合仿真結(jié)果;測(cè)試的關(guān)斷支路的端口3至公共端口1之間的隔離度為28.8～30.8 dB,導(dǎo)通支路的端口2至關(guān)斷支路的端口3之間的隔離度為29～30 dB,均優(yōu)于仿真結(jié)果2～3 dB,說(shuō)明實(shí)際HEMT晶體管的寄生參數(shù)與仿真模型稍有差別．

圖4 SPDT開(kāi)關(guān)電路版圖和實(shí)物顯微照片F(xiàn)ig.4 Layout (a) and micrograph (b) of the SPDT switch

圖5 開(kāi)關(guān)電路測(cè)試平臺(tái)搭建Fig.5 Measurement setup of the SPDT switch a.small signal;b.large signal

圖6 SPDT開(kāi)關(guān)仿真與測(cè)試結(jié)果Fig.6 Simulation and measurement results of the SPDT switch a.return loss;b.insertion loss and isolation

圖7是SPDT開(kāi)關(guān)的大信號(hào)仿真結(jié)果．由圖7a可以看出開(kāi)關(guān)在24～30 GHz頻帶內(nèi)的輸入1 dB功率壓縮點(diǎn)大于30 dBm．經(jīng)過(guò)對(duì)電路的簡(jiǎn)單測(cè)試,得到大信號(hào)S參數(shù)的測(cè)試結(jié)果如圖7b所示,Xcp表示插入損耗壓縮曲線(xiàn),S21為大信號(hào)輸入下的插入損耗性能曲線(xiàn),Pin為測(cè)試時(shí)的輸入功率．當(dāng)輸入功率為27 dBm時(shí),插入損耗還未壓縮至1 dB,可知此開(kāi)關(guān)的輸入功率1 dB壓縮點(diǎn)大于27 dBm．測(cè)試時(shí)的開(kāi)關(guān)電路輸入端接入了驅(qū)動(dòng)放大器,導(dǎo)通支路輸出端接了衰減器,與后仿真的電路環(huán)境有所區(qū)別,引入了一定的損耗,故測(cè)試的輸入1 dB壓縮點(diǎn)與后仿真結(jié)果有一定差距．表1對(duì)比了已發(fā)表的一些毫米波頻段的GaN單刀雙擲開(kāi)關(guān)的工作,可以看到本文基于GaN的開(kāi)關(guān)電路在28 GHz毫米波頻段擁有優(yōu)異的插入損耗以及隔離度性能,有利于集成高性能GaN毫米波前端．

圖7 SPDT開(kāi)關(guān)大信號(hào)S參數(shù)(S21)仿真與測(cè)試結(jié)果Fig.7 Simulation (a) and measurement (b) results of the large signal S-parameter (S21) for the SPDT switch

表1 與已有文獻(xiàn)的性能比較

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于1/4波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換并聯(lián)的兩級(jí)開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),采用硅基100 nm GaN工藝設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種毫米波SPDT開(kāi)關(guān)．電路測(cè)試結(jié)果表明該SPDT開(kāi)關(guān)在24～30 GHz的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了1.2～1.5 dB的插入損耗,隔離度為28.8～30.8 dB,輸入功率1 dB壓縮點(diǎn)大于27 dBm,在插入損耗、隔離度和功率容量上都表現(xiàn)出了優(yōu)良的性能,適用于單片集成的GaN毫米波前端組件,在5G毫米波相控陣系統(tǒng)上具有較好的應(yīng)用前景．