寬帶單刀雙擲氮化鎵功率開(kāi)關(guān)芯片

戴劍 馬偉賓

摘要：文章設(shè)計(jì)了一款基于氮化鎵HEMT工藝的單片射頻單刀雙擲開(kāi)關(guān)芯片（SPDT switch）。采用寬帶匹配結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了超寬帶開(kāi)關(guān)特性，覆蓋頻率DC-18 GHz，并且在工作帶寬內(nèi)優(yōu)化了開(kāi)關(guān)耐功率能力。裝配后的S參數(shù)測(cè)試結(jié)果顯示，在DC-18 GHz內(nèi)插入損耗最大值在18 GHz頻點(diǎn)處，為1.5 dB。連續(xù)波耐功率測(cè)試表明芯片的輸入P0.1dB為40 dBm，具有較高的耐功率能力。芯片尺寸僅為1.6×1.2 mm2。

關(guān)鍵詞：超寬帶;射頻開(kāi)關(guān);單刀雙擲;插損;耐功率能力

中圖分類號(hào)：TN61;TN303? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）07-0041-03

Wideband SPDT GaN Power Switch Chip

DAI Jian，MA Weibin

（The 13th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shijiazhuang? 050000，China）

Abstract：A monolithic RF single pole double throw switch（SPDT switch）chip based on GaN HEMT process is designed in this paper. Using broadband matching structure，the UWB switching characteristics are realized，the coverage frequency is DC-18 GHz，and the switching power endurance is optimized within the working wideband. The S-parameter test results after assembly show that the maximum insertion loss in DC-18 GHz is 1.5 dB at the 18 GHz frequency point. The continuous wave power endurance test shows that the input P0.1dB of the chip is 40 dBm，which has high power withstand ability. The chip size is only 1.6×1.2 mm2。

Keywords：UWB;RF switch;SPDT;insertion loss;power endurance

收稿日期：2021-03-06

0? 引? 言

基于碳化硅襯底的氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）具有優(yōu)異的電學(xué)特性和熱學(xué)特性[1]，非常適用于高功率控制電路的制作，相較于GaAs的電路具有很大的性能優(yōu)勢(shì)。GaN HEMT器件具有很高的擊穿電壓，用在控制電路中可以使用較高的控制電壓，從而使得并聯(lián)GaN HEMT器件在關(guān)態(tài)下可以通過(guò)很大的射頻電壓擺幅。除此以外，GaN HEMT器件具有很高的二維電子氣密度，飽和溝道電流大，導(dǎo)通電阻小，使得器件在開(kāi)態(tài)下能夠承受很高的電流擺幅，同時(shí)損耗很低。主流的GaN工藝采用SiC襯底，SiC襯底具有高絕緣特性，有效減小了高電壓和高電流下的襯底射頻泄露。

單刀雙擲功率開(kāi)關(guān)通常用于雷達(dá)收發(fā)組件中，用于發(fā)射和接收的切換，如圖1所示，也常用于極化開(kāi)關(guān)的切換。射頻功率開(kāi)關(guān)的主要指標(biāo)包括帶寬、插損、隔離度、耐受功率以及切換時(shí)間。插入損耗是指理想開(kāi)關(guān)在開(kāi)態(tài)下傳輸?shù)截?fù)載的功率與實(shí)際開(kāi)關(guān)在開(kāi)態(tài)下傳輸?shù)截?fù)載的功率之比;隔離度是指理想開(kāi)關(guān)在關(guān)態(tài)下傳輸?shù)截?fù)載的功率與實(shí)際開(kāi)關(guān)在關(guān)態(tài)下傳輸?shù)截?fù)載的功率之比;P0.1dB是指插入損耗隨輸入功率增加而增加0.1 dB時(shí)的輸入功率，此即傳輸特性壓縮0.1 dB時(shí)的輸入功率，用于衡量開(kāi)關(guān)耐受功率的能力。常用射頻功率開(kāi)關(guān)包括PIN開(kāi)關(guān)、砷化鎵FET開(kāi)關(guān)、硅基SOI開(kāi)關(guān)以及氮化鎵HEMT開(kāi)關(guān)。PIN開(kāi)關(guān)具有插損低、耐功率高等優(yōu)點(diǎn)，但是PIN開(kāi)關(guān)正常工作時(shí)需要一個(gè)額外的偏置電流，增加了系統(tǒng)功耗和復(fù)雜度，限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。砷化鎵FET開(kāi)關(guān)插損低，切換時(shí)間快，然而砷化鎵FET器件本身的擊穿電壓較低，無(wú)法應(yīng)用于耐受功率超過(guò)2 W的場(chǎng)合。硅基SOI開(kāi)關(guān)的耐功率能力受限。氮化鎵HEMT器件的電流密度大，擊穿電壓高，導(dǎo)通電阻低，切換時(shí)間快，無(wú)須耗散額外的直流功耗，非常適合于射頻收發(fā)切換開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)。

隨著雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展，若要集成更多的功能，就需要配備帶寬更寬的射頻收發(fā)組件。寬帶功率開(kāi)關(guān)在系統(tǒng)中扮演著極其重要的角色。Yu等人設(shè)計(jì)并測(cè)試驗(yàn)證了L波段的大功率SP4T開(kāi)關(guān)[2]，P0.1dB達(dá)到20 W，插入損耗低至1.4 dB。Hangai等人設(shè)計(jì)了S波段的SPST功率開(kāi)關(guān)[3]，耐功率能力達(dá)到100 W，插損為1 dB。Ma等人設(shè)計(jì)了一款全單片Ku頻段SPDT開(kāi)關(guān)，在18 GHz的耐功率能力和插入損耗分別為4 W和1.4 dB。Koudymov等人提出了一種寬帶匹配結(jié)構(gòu)[4]，實(shí)現(xiàn)了DC-10 GHz寬帶單刀雙擲開(kāi)關(guān)，插入損耗低于1 dB，耐功率能力達(dá)到5 W。

本文利用基于SiC襯底的GaN工藝，研究和設(shè)計(jì)了DC-18 GHz寬帶高功率單刀雙擲開(kāi)關(guān)。首先對(duì)開(kāi)關(guān)電路的寬帶匹配結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，確定了所采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);其次對(duì)開(kāi)關(guān)器件耐受功率的機(jī)理進(jìn)行了分析，針對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定了器件尺寸;最后在流片完之后，進(jìn)行了在片S參數(shù)評(píng)估和裝配耐功率評(píng)估。

1? 寬帶單刀雙擲開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)方法

絕大多數(shù)基于FET/HEMT器件的開(kāi)關(guān)在較低的頻段無(wú)須任何匹配或調(diào)諧元件，其工作頻段便可延伸至DC，可認(rèn)為其本身就是超寬帶的。但是隨著頻率的提升，由于關(guān)態(tài)下等效電容的存在，其插入損耗和隔離度性能急劇下降。為了使工作頻段延伸至微波頻段，形成真正的寬帶開(kāi)關(guān)，需要在開(kāi)關(guān)器件之外利用額外的無(wú)源電感元件進(jìn)行調(diào)諧和匹配，以抵消關(guān)態(tài)電容的影響。使用較多的提升寬帶性能的方法是采用類似分布式或行波電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。具體而言，就是采用串聯(lián)器件和并聯(lián)器件的組合，如圖2所示，并聯(lián)器件和高阻傳輸線或螺旋電感共同構(gòu)成了等效的接近50歐姆的傳輸線，以匹配至50歐姆端口。串聯(lián)器件提升隔離度。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能在很寬的帶寬內(nèi)減小開(kāi)態(tài)插損，提升關(guān)態(tài)隔離度，改善輸入輸出駐波比。

為了實(shí)現(xiàn)單刀雙擲的DC-18 GHz寬帶匹配，兩個(gè)射頻支路分別采用兩個(gè)并聯(lián)到地的GaN HEMT器件和一個(gè)串聯(lián)GaN HEMT器件，如圖2所示。HEMT器件在關(guān)態(tài)下等效于一個(gè)很小的電容，其數(shù)值在幾十至幾百fF之間，具體取值視器件總柵寬而定;開(kāi)關(guān)器件在開(kāi)態(tài)下，等效于幾歐姆的電阻。圖2所示的電路在端口1到端口2之間呈現(xiàn)為射頻導(dǎo)通狀態(tài)，端口1到端口3之間呈現(xiàn)為射頻關(guān)斷狀態(tài)，四分之一的波長(zhǎng)線的目的在于將開(kāi)態(tài)器件呈現(xiàn)的低阻態(tài)變換至端口處的高阻態(tài)，以提高端口間的隔離度，除此以外，串并結(jié)構(gòu)也可進(jìn)一步提升隔離度。多支節(jié)的兩并一串匹配拓?fù)淠茌^大幅度地提升匹配帶寬，在本文的設(shè)計(jì)中，絕對(duì)帶寬達(dá)到DC-18 GHz，相對(duì)帶寬達(dá)到200%。開(kāi)關(guān)采用負(fù)電控制，即-28 V/0 V為控制電壓。

2? 耐受功率的設(shè)計(jì)以及隔離度的優(yōu)化

開(kāi)關(guān)電路能通過(guò)的最大射頻功率取決于關(guān)態(tài)HEMT器件所能承受的最大電壓擺幅和開(kāi)態(tài)HEMT器件所能承受的最大傳輸電流。當(dāng)輸入射頻功率逐漸增加時(shí)，會(huì)觀察到開(kāi)關(guān)發(fā)生功率壓縮。其壓縮機(jī)理來(lái)源于兩個(gè)方面。一是電壓壓縮，即并聯(lián)器件在關(guān)態(tài)下所承受的電壓擺幅超過(guò)閾值電壓或擊穿電壓，輸出功率不再隨輸入功率增加而線性增加;二是電流壓縮，串聯(lián)器件在開(kāi)態(tài)下流過(guò)的射頻電流峰值超出了器件所能承受的最大電流。當(dāng)開(kāi)關(guān)的電壓或電流壓縮過(guò)多時(shí)，器件會(huì)發(fā)生燒毀。常用的衡量開(kāi)關(guān)功率能力的指標(biāo)是P0.1dB，即輸出功率發(fā)生壓縮0.1 dB時(shí)的輸入功率。在50歐姆系統(tǒng)中，開(kāi)關(guān)電路所能承受的功率可以通過(guò)以下公式進(jìn)行計(jì)算[5]：

Pmax=min[25（VBD-VG）2/25（VG-VP）2/25]? ? ?（1）

其中，Imax是器件的最大電流值，VBD是器件擊穿電壓，Vg是柵極控制電壓，Vp是器件的夾斷電壓，式（1）表明，開(kāi)關(guān)電路的最大耐受功率取決于三種可能的壓縮機(jī)理的最低值。

為了提升在整個(gè)頻段內(nèi)的開(kāi)關(guān)隔離度，可在串聯(lián)器件上與之并聯(lián)一段帶線。當(dāng)串聯(lián)器件處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，等效為一個(gè)小電容，與它并聯(lián)的微帶線自身的電感量與小電容構(gòu)成諧振單元[5]，從傳輸特性上看，具有提升關(guān)斷支路兩個(gè)端口之間隔離度的作用。傳統(tǒng)的串聯(lián)結(jié)構(gòu)具有低頻隔離度好，高頻隔離度差的特點(diǎn)，為了改善高頻段的隔離度，在串管兩端并聯(lián)一截微帶線，可大大改善高頻的隔離度，盡管低頻隔離度會(huì)有輕微惡化，對(duì)于本文設(shè)計(jì)的DC-18 GHz寬頻帶開(kāi)關(guān)而言，該結(jié)構(gòu)能有效提高18 GHz附近的隔離度。

3? 柵極電阻的設(shè)計(jì)考慮

與PIN二極管不同的是，HEMT是三端口器件，控制電壓施加于柵極，同時(shí)柵極需要保證和射頻通路處于隔離狀態(tài)。因此，在大多數(shù)HEMT開(kāi)關(guān)電路中，不需要柵極濾波電路，只需要一個(gè)較大的電阻。大多數(shù)情況下，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，柵極電阻取值范圍一般為2～5 kΩ·mm，即1 mm柵寬的開(kāi)關(guān)HEMT采用2～5 kΩ的電阻進(jìn)行柵極偏置，可以在射頻通路與柵極電源之間提供足夠高的射頻隔離度。柵極電阻的取值會(huì)影響開(kāi)關(guān)特性，如工作頻率、開(kāi)關(guān)切換時(shí)間、插入損耗、瞬態(tài)響應(yīng)以及耐功率能力。具體而言，當(dāng)柵極偏置電阻過(guò)小時(shí)，射頻信號(hào)會(huì)泄露至柵極控制端，使得射頻主路上的插損發(fā)生惡化，與此同時(shí)，柵電阻過(guò)小也會(huì)導(dǎo)致分布在柵漏和柵源上的射頻電壓擺幅不等，造成柵漏或柵源的提前壓縮或擊穿，影響開(kāi)關(guān)耐功率能力。為量化和分析此影響，利用諧波平衡方法，計(jì)算了一個(gè)10×100 μm的GaN HEMT器件插損特性，圖3為器件在14 GHz頻點(diǎn)處插入損耗隨柵極電阻的變化關(guān)系。

該器件的柵極偏置電阻約為7 kΩ時(shí)，插入損耗達(dá)到最優(yōu)值，此時(shí)耐功率能力也達(dá)到最大。但是如果進(jìn)一步增加?xùn)艠O電阻，射頻性能難以得到進(jìn)一步改善，原因在于10 kΩ左右的電阻值對(duì)于該工藝的1 mm柵寬器件而言，已經(jīng)能起到足夠的射頻隔離作用;如果進(jìn)一步增加電阻，不僅不能改善射頻性能，與之相反，還會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)切換速度和開(kāi)關(guān)瞬態(tài)響應(yīng)能力的惡化，機(jī)理在于柵極切換時(shí)間正比于柵極電阻和柵極電容的乘積，此即為柵極電容充放電的時(shí)間常數(shù)，柵極電阻越大，該時(shí)間常數(shù)越大，開(kāi)關(guān)切換速度越慢。

4? 實(shí)測(cè)結(jié)果

使用寬帶匹配技術(shù)，考慮到耐受功率的要求，本文設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了一款DC-18 GHz寬帶高功率開(kāi)關(guān)，控制電壓為-28 V/0 V。流片后進(jìn)行了在片小信號(hào)S參數(shù)測(cè)試，如圖4（a）所示，插損在10 GHz以內(nèi)時(shí)低于1 dB，在18 GHz時(shí)為1.4 dB。輸入輸出回波損耗低于-20 dB。隔離度在全頻帶內(nèi)高于25 dB。將開(kāi)關(guān)芯片燒結(jié)在鉬銅片上，再燒結(jié)在鋁盒底上，輸入輸出鍵合到帶線上，帶線再轉(zhuǎn)接頭引出。多次進(jìn)行波耐功率測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖4（b）所示，輸入P0.1dB達(dá)到40 dBm。是目前文獻(xiàn)中報(bào)道的此頻段內(nèi)的最大值。

5? 結(jié)? 論

本文針對(duì)雷達(dá)射頻組件應(yīng)用，研究了寬帶高功率開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)瓶頸?；跈C(jī)理分析，采用兩并一串的多支節(jié)匹配結(jié)構(gòu)，同時(shí)從器件尺寸的角度進(jìn)行了耐功率能力的優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一款頻率范圍為DC-18 GHz的射頻功率開(kāi)關(guān)，流片后測(cè)試性能優(yōu)異，插入損耗典型值為-1 dB，最低值為-1.4 dB，典型的耐受功率能力達(dá)到40 dBm。同時(shí)隔離度達(dá)到了25 dB以上。芯片面積緊湊，尺寸僅為1.6×1.2 mm2。該芯片可廣泛應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郝躍，張金風(fēng)，張進(jìn)成.氮化物寬禁帶半導(dǎo)體材料與電子器件 [M].北京：科學(xué)出版社，2013.

[2] YU M，WARD R J，HOVDA D H，et al. The Development of a High Power SP4T RF Switch in GaN HFET Technology [J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters，17（12）：894-896.

[3] HANGAI M，NISHINO T，KAMO Y. An S-band 100W GaN Protection Switch [C]//2007 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium.Honolulu：IEEE，2007：1389-1392.

[4] KOUDYMOV A. Monolithically integrated high-power broad-band RF switch based on III-N insulated gate transistors [J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2004，14（12）：560-562.

[5] CAMPBELL C F，DUMKA D C，KAO M Y. Design considerations for GaN based MMICs [C]//2009 IEEE International Conference on Microwaves，Communications，Antennas and Electronics Systems.Tel Aviv：IEEE，2009：1-8.

作者簡(jiǎn)介：戴劍（1989—），男，漢族，江蘇揚(yáng)中人，工程師，碩士，研究方向：集成電路設(shè)計(jì)。