基于GaAs pHEMT實現(xiàn)的毫米波寬頻帶低插損單刀雙擲開關(guān)

張藝 張志浩 章國豪

0 引言

射頻開關(guān)是射頻前端收發(fā)組件中的重要組成部分,其重要性在實際應(yīng)用中顯而易見．目前設(shè)計射頻開關(guān)的主流技術(shù)主要有CMOS[1]、PIN二極管[2]、微電子機械系統(tǒng)(MEMS)[3]，以及砷化鎵贗高電子遷移率晶體管(GaAs pHEMT)[4]/氮化鎵贗高電子遷移率晶體管(GaN pHEMT)[5]等技術(shù)．CMOS技術(shù)雖集成度高、成本低,但漏電的襯底導(dǎo)致較高的插入損耗和較低的隔離度;PIN二極管本質(zhì)為一個在射頻頻段受電流控制的可變阻抗器;MEMS技術(shù)的優(yōu)點是它可與CMOS工藝兼容,但其存在開關(guān)時間過長、驅(qū)動電壓高、功率容量小等一系列缺陷;GaN雖在高速、高頻、耐熱性強和高功耗的應(yīng)用領(lǐng)域性能優(yōu)異,但其制造成本過于高昂;GaAs是集成電路領(lǐng)域中使用最廣泛的材料之一,具有電子遷移率高、禁帶寬度大、耐高溫、抗輻射性能好、本征載流子濃度低以及成本低廉等諸多優(yōu)勢．

當(dāng)工作頻段為20 GHz以下,無源FET(場效應(yīng)管)的串聯(lián)或串并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以很容易得到高性能的開關(guān)特性,其出色的隔離度和插入損耗結(jié)果在文獻[1]中得到了證明．然而,在較高的頻率下,寄生電容(主要是漏極至源極電容)會顯著降低插入損耗的性能．迄今為止,大多數(shù)毫米波單片集成射頻開關(guān)均為并聯(lián)諧振型FET開關(guān)．例如:文獻[5]設(shè)計了一條并聯(lián)傳輸線,在工作頻率帶寬上與FET的等效斷態(tài)電容產(chǎn)生諧振,以優(yōu)化帶內(nèi)插入損耗,最終實現(xiàn)了一個工作在30～40 GHz頻段、插損小于1.861 dB、隔離度大于27.651 dB的單刀雙擲(SPDT)開關(guān)芯片;文獻[6]采用類似的結(jié)構(gòu),在27～31 GHz設(shè)計的SPDT開關(guān)插入損耗低于1.3 dB,隔離度大于25 dB;文獻[7]中采用1/4波長阻抗變換器作為電路的輸入及輸出匹配,得到了較好的回波損耗,優(yōu)化了插入損耗,以此實現(xiàn)的GaAs pHEMT開關(guān)在36～38 GHz頻段內(nèi)獲得低于3.2 dB的插損和大于28 dB的隔離度．為了進一步降低插入損耗,本文采用一種基于濾波器優(yōu)化方法的雙節(jié)枝毫米波開關(guān)拓撲架構(gòu),每個節(jié)枝由串聯(lián)的1/4波長阻抗變換器及并聯(lián)的開關(guān)器件構(gòu)成,并將整體分布式結(jié)構(gòu)視為一個濾波器問題進行處理,可以有效降低插入損耗．基于此開關(guān)架構(gòu),本文實現(xiàn)了一款采用0.15 μm GaAs pHEMT技術(shù)設(shè)計的寬頻毫米波SPDT開關(guān)芯片．

1 器件簡介

GaAs pHEMT工藝的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)使其相比同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的器件具有更高的電子濃度和遷移率．圖1所示為GaAs pHEMT的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖．圖1中由上及下分別為由n摻雜的AlGaAs層、未摻雜的AlGaAs Spacer層、2DEG、InGaAs溝道層、無摻雜的GaAs緩沖層．Spacer層用來隔離溝道電子與摻雜層接觸．因為電子從禁帶寬度較大的半導(dǎo)體向禁帶寬度較小的半導(dǎo)體注入,所以在AlGaAs/InGaAs界面形成了高濃度的二維電子氣體(2DEG),因此,與同質(zhì)結(jié)MESFET相比,異質(zhì)結(jié)器件具有更優(yōu)異的高頻性能．

圖1 GaAs pHEMT的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖Fig.1 Side view of GaAs pHEMT structure

通常工藝優(yōu)值(FOM)[8]越小,得到的射頻開關(guān)的關(guān)鍵指標就越好．因此,在進行射頻開關(guān)設(shè)計的首要步驟就是擇優(yōu)選取pHEMT管的尺寸．表1列舉了不同尺寸下,頻率(f)為28 GHz,VG=0.5 V的等效導(dǎo)通電阻Ron和VG=-5 V的等效關(guān)斷電容Coff．通過表1中數(shù)據(jù)對比,最終選定尺寸為4 μm×50 μm以及2 μm×50 μm的pHEMT管進行本文的設(shè)計．

表1 不同尺寸pHEMT管的Ron和Coff仿真結(jié)果(f=28 GHz)

2 電路結(jié)構(gòu)分析

本文設(shè)計的SPDT開關(guān)的整體電路結(jié)構(gòu)如圖2所示．整體電路采用雙節(jié)枝的開關(guān)結(jié)構(gòu),每個節(jié)枝由串聯(lián)的1/4波長阻抗變換器及并聯(lián)的開關(guān)器件構(gòu)成．其中,天線端(Port1)通過λ/4傳輸線進行輸入匹配,與2條對稱支路建立連接,而另一條λ/4傳輸線在2個并聯(lián)到地的pHEMT管之間進行級間匹配,整體分布式結(jié)構(gòu)最終視為一個濾波器問題進行處理．首先,從源端看過去輸入阻抗可簡化為

圖2 單刀雙擲射頻開關(guān)電路Fig.2 Schematic diagram of a single-pole double-throw radio frequency switch

圖3 導(dǎo)通支路等效電路Fig.3 Equivalent circuit diagram of the conducting branch

(4)

而作為隔離支路即控制信號為VG1=0.5 V,VG2=-5 V時,其簡化的等效原理如圖4所示,此時pHEMT管等效為R1、R2,將2條λ/4傳輸線分為2個部分進行分析.從圖4中可知,由于R1、R2很小,因此由式(3)可以得到λ/4線另一端呈現(xiàn)為高阻抗,使得此支路處于隔離狀態(tài).此外,還增加了一條λ/4傳輸線和一個并聯(lián)到地的pHEMT管,這就進一步阻擋了信號向隔離端Port3泄露,大大提升了電路的隔離度(i),由ABCD矩陣可得隔離度為

圖4 關(guān)斷支路等效電路Fig.4 Equivalent circuit diagram of the turn-off branch

(5)

3 測試結(jié)果與分析

圖5為實現(xiàn)的毫米波GaAs pHEMT SPDT開關(guān)的實物,整體芯片面積為2.1 mm×1.1 mm．在片測試系統(tǒng)搭建如圖6所示,采用Cascade探針臺和Agilent E8363C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀完成對SPDT射頻開關(guān)的S參數(shù)測試．

圖5 單刀雙擲開關(guān)芯片實物圖Fig.5 Image of a single-pole double-throw switch chip

圖6 Cascade探針臺和Agilent E8363C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Fig.6 Cascade probe station and Agilent E8363C vector network analyzer

如圖7—10所示,將SPDT開關(guān)芯片的插入損耗、隔離度以及輸入和輸出回波損耗的測試與仿真結(jié)果做了對比．從整體趨勢來看,由于處在高頻,仿真模型存在不可避免的誤差,實測結(jié)果相對于仿真結(jié)果出現(xiàn)了頻偏．在23～30 GHz頻帶內(nèi),如圖7所示測試的插入損耗(LI)小于1.3 dB．由圖8可知,該開關(guān)測試的隔離度性能大于23 dB,在工作頻帶內(nèi)實測結(jié)果比仿真結(jié)果高1 dB．由圖9和10可知,輸入、輸出回波損耗的仿真與測試結(jié)果均優(yōu)于10 dB,表示電路具備良好的回波損耗性能．

圖7 插入損耗測試曲線與仿真結(jié)果曲線對比Fig.7 Comparison of insertion loss test and simulation results

圖8 隔離度測試曲線與仿真結(jié)果曲線對比Fig.8 Comparison of isolation test and simulation results

圖9 輸入回波損耗測試曲線與仿真結(jié)果曲線對比Fig.9 Comparison of input return loss test and simulation results

圖10 輸出回波損耗測試曲線與仿真結(jié)果曲線對比Fig.10 Comparison of output return loss test and simulation results

4 結(jié)論

本文基于濾波器優(yōu)化方法設(shè)計了一款雙節(jié)枝毫米波GaAs pHEMT開關(guān)架構(gòu),兩路開關(guān)均含有兩節(jié)枝,每節(jié)枝由1/4波長阻抗變換器及并聯(lián)的開關(guān)器件構(gòu)成,不僅提升了電路的回波損耗而且優(yōu)化了整體電路的插入損耗,同時在不降低插損的前提下改善了隔離度．利用該架構(gòu)基于0.15 μm的GaAs pHEMT工藝實現(xiàn)了一個面積為2.1 mm×1.1 mm的SPDT開關(guān)MMIC芯片,該開關(guān)在23～30 GHz工作頻段內(nèi),實現(xiàn)了插入損耗優(yōu)于1.3 dB、隔離度大于23 dB的射頻性能．