超寬帶雙刀雙擲氮化鎵功率開關(guān)芯片

戴劍 張忠山

摘 ?要：文章提出了一種超寬帶射頻開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計了一款基于氮化鎵單片工藝的超寬帶（17～35 GHz）雙刀雙擲功率開關(guān)芯片，同一芯片上集成了射頻收發(fā)切換開關(guān)和極化開關(guān)。在片測試結(jié)果顯示，該芯片在整個頻段內(nèi)的插入損耗典型值為2.5 dB，隔離度典型值為27 dB。裝配測試表明該芯片的輸入P0.1 dB為40 dBm，具有較高的耐功率能力。芯片尺寸僅為3×2.5 mm2。該功率開關(guān)芯片可廣泛應(yīng)用于多功能雷達(dá)射頻組件中，用于發(fā)射/接收的切換和極化方向的選擇。

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

中圖分類號：TM564 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）06-0048-04

Ultra Wideband DPDT GaN Power Switch Chip

DAI Jian，ZHANG Zhongshan

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

Abstract：This paper presents a ultra wideband topology for RF switch. Using this topology，a ultra wideband（17～35 GHz）DPDT power switch chip is designed based on GaN monolithic process，RF transceiver switch and polarization switch are integrated on the same chip. On-wafer measurement results show a typical insertion loss and isolation of 2.5 dB and 27 dB over the entire frequency band. The assembly test shows that the input P0.1 dB of the chip is 40 dBm，and it has high power endurance. The chip size is only 3×2.5 mm2. The power switch chip can be widely used in multi-function radar RF module for transmitting/receiving switching and polarization direction selection.

Keywords：ultra wideband;RF switch;DPDT;insertion loss;power endurance

0 ?引 ?言

隨著多功能有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的發(fā)展，其核心部件單片微波集成電路（MMIC）得到了廣泛和深入的研究[1]。為了實(shí)現(xiàn)更寬的頻帶，更小的尺寸，更輕的重量，更高的功率以及更低的成本，單片微波集成電路及其系統(tǒng)在工藝材料和設(shè)計架構(gòu)上都得到了較大的改進(jìn)。近十幾年來發(fā)展的氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）與其相應(yīng)的單片電路工藝為多功能雷達(dá)提供了新的高集成解決方案。氮化鎵晶體管具有高電流密度、高擊穿電壓以及低導(dǎo)通電阻等優(yōu)點(diǎn)，非常適合射頻微波功率放大器和功率開關(guān)電路的制作[2]。

在雷達(dá)收發(fā)組件中常用一個單刀雙擲的功率開關(guān)來實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收的切換，稱之為收發(fā)開關(guān)。低插損、寬頻帶、高耐受功率和較快的切換時間是收發(fā)開關(guān)的主要指標(biāo)。常用的有 PIN開關(guān)、GaAs FET開關(guān)、MEMS開關(guān)以及氮化鎵HEMT開關(guān)[3]。PIN開關(guān)具有插損低，耐功率高的優(yōu)點(diǎn)，但是PIN開關(guān)正常工作時需要一個額外的、較大的偏置電流，增加了系統(tǒng)功耗和復(fù)雜度，限制了其應(yīng)用范圍。GaAs FET開關(guān)插損低，切換時間快，然而GaAs器件本身的擊穿電壓較低，無法應(yīng)用在耐受功率超過2 W的場景。MEMS開關(guān)最顯著的優(yōu)點(diǎn)是極低的插損（～0.2 dB），但是切換時間非常緩慢（～10 μs），難以應(yīng)用于需要快速切換的射頻收發(fā)組件。氮化鎵HEMT器件電流密度大（～0.6 A/mm），擊穿電壓高（～80 V），導(dǎo)通電阻低（～2 Ω·mm），切換時間快（～50 ns），無須耗散額外的直流功耗，非常適合于射頻收發(fā)切換開關(guān)的設(shè)計。

除了用一個單刀雙擲開關(guān)實(shí)現(xiàn)收發(fā)切換外，多功能雷達(dá)的射頻組件還經(jīng)常使用另外一個單刀雙擲開關(guān)實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收的雙極化，稱之為極化開關(guān)。極化的目的在于，獲得被測地物像元的極化散射矩陣，進(jìn)而將目標(biāo)散射的能量特性、相位特性和極化特性統(tǒng)一起來，相對完整地描述雷達(dá)目標(biāo)的電磁散射特性。極化開關(guān)一般位于收發(fā)開關(guān)和天線之間，其主要指標(biāo)和收發(fā)開關(guān)的指標(biāo)一致。典型的射頻前端模塊如圖1所示。

針對多功能雷達(dá)新架構(gòu)的迫切需求，提出了一種超寬帶的功率開關(guān)設(shè)計方法，即多枝節(jié)兩串一并的拓?fù)淦ヅ浞绞?，利用該方法和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計了一款17～35 GHz超寬帶開關(guān)芯片，同時覆蓋雷達(dá)和通信常用的17～20 GHz和30～35 GHz頻段，芯片集成了兩個單刀雙擲開關(guān)，通過串聯(lián)方式構(gòu)成了一個雙刀雙擲開關(guān)，如圖1所示，采用一體化設(shè)計和優(yōu)化，該雙刀雙擲開關(guān)芯片總的插損指標(biāo)要優(yōu)于兩個分立的單刀雙擲開關(guān)芯片插損之和。同時其面積也遠(yuǎn)小于兩個單刀雙擲芯片面積之和，不僅減小了微波組件的尺寸，還大幅度降低了芯片成本。為超寬帶新型多功能雷達(dá)的研制提供了堅(jiān)實(shí)的芯片基礎(chǔ)。

1 ?寬帶單刀雙擲開關(guān)設(shè)計方法

該開關(guān)采用負(fù)電控制，即-28 V/0 V為控制電壓。為了實(shí)現(xiàn)寬帶匹配，每個射頻支路采用了兩個并聯(lián)的HEMT器件和一個串聯(lián)HEMT器件，如圖2所示。開關(guān)HEMT器件在關(guān)態(tài)下可等效于一個很小的電容，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;開關(guān)器件在開態(tài)下，等效為幾歐姆的電阻。圖2所示的電路在Port1到Port2之間為射頻導(dǎo)通狀態(tài)，Port1到Port3之間為射頻關(guān)斷態(tài)，其小信號等效電路如圖3所示，四分之一的波長線的目的在于將開態(tài)器件呈現(xiàn)的低阻態(tài)變換至端口處的高阻態(tài)，提高了端口間的隔離度，同時串并結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步提升隔離。多支節(jié)的兩并一串匹配結(jié)構(gòu)能大幅度提升匹配帶寬，在本設(shè)計中，利用該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，絕對帶寬達(dá)到17～35 GHz，覆蓋了通信和雷達(dá)常用的17～20 GHz和30～35 GHz頻段，相對帶寬達(dá)到92.3%。

2 ?開關(guān)耐功率的設(shè)計考慮

在50歐姆系統(tǒng)中，氮化鎵HEMT開關(guān)管在開態(tài)下的耐受功率能力取決于能流過器件的最大電流，即器件的最大電流值，接近該最大電流值時產(chǎn)生壓縮，一旦超過該值，器件會燒毀;在關(guān)態(tài)下的耐受功率取決于柵極和漏極之間以及柵極與源極之間能夠達(dá)到的最大電壓擺幅，既不發(fā)生擊穿，也不產(chǎn)生壓縮，其表達(dá)式分別為[4]：

（1）

Poff=min[（VBD-Vg）2/25，（Vg-Vp）2/25] ? ? ? ? ?（2）

其中，Pon是器件處于開態(tài)下的耐功率能力，Poff是器件處于關(guān)態(tài)下的耐功率能力，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。

在本文的設(shè)計中，單個開關(guān)射頻支路采用兩并一串的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，仿真表明當(dāng)輸入功率為40 dBm時，并聯(lián)器件上的最大電壓擺幅為30 V，低于器件發(fā)生擊穿或者壓縮時的擺幅大小;同時串聯(lián)器件上經(jīng)過的電流擺幅為400 mA，串聯(lián)器件的總柵寬為1.2 mm，該工藝的器件最大電流值為600 mA/mm，因此可供流經(jīng)的最大電流為720 mA，遠(yuǎn)高于400 mA，從而在設(shè)計上保證了串聯(lián)器件避免壓縮或燒毀。

3 ?雙刀雙擲開關(guān)一體化優(yōu)化設(shè)計

一般而言，收發(fā)切換開關(guān)和極化開關(guān)分別獨(dú)立設(shè)計，將兩個單獨(dú)的芯片各自匹配至50歐姆后再通過鍵和絲級聯(lián)，這樣引入了額外的插入損耗。典型的寬帶開關(guān)插損約為2 dB，如果采用分立單刀雙擲芯片，加上鍵合絲引入的插入損耗0.2 dB，那么總的插損為4.2 dB，發(fā)射效率低至一半以下，噪聲系數(shù)直接增加4.2 dB，這種性能惡化是雷達(dá)組件系統(tǒng)難以接受的，影響到整個雷達(dá)系統(tǒng)的射頻性能以及散熱管理。本文創(chuàng)造性地將兩個單刀單擲開關(guān)集成在同一個芯片上，構(gòu)成一個雙刀雙擲開關(guān)，只需要輸入輸出端口匹配至50歐姆，通過一體化設(shè)計優(yōu)化，中間級聯(lián)端口無須匹配至50歐姆，就能夠達(dá)到整體最優(yōu)的性能，示意圖如圖4所示。通過仿真計算表明，通過級聯(lián)優(yōu)化，總的插入損耗能達(dá)到僅2.5 dB的水平（典型值），且能保證優(yōu)異的隔離度性能。

4 ?柵極電阻的影響及設(shè)計考慮

開關(guān)電路中，開關(guān)HEMT器件柵極上需要一個較大的電阻用作隔離，抑制通過柵極電容泄露的射頻能量[5]。柵極電阻的大小直接影響到GaN HEMT的插入損耗和耐功率能力。如果柵電阻過小，一方面，射頻信號會泄露至柵極控制端，導(dǎo)致射頻主路上的插損惡化，另一方面，柵電阻過小，導(dǎo)致分布在柵漏和柵源上的射頻電壓幅度不等，造成了提前壓縮或者擊穿，影響耐功率能力。為了觀察這種影響，在仿真上選擇了一個10×60 μm的HEMT器件，仿真計算了柵極電阻大小對插入損耗和耐功率能力的具體影響，如圖5所示，虛線是柵極電阻為1 kΩ的功率壓縮曲線，實(shí)線是柵極電阻為10 kΩ的功率壓縮曲線，結(jié)果顯示柵極電阻越大，插入損耗越小，耐受功率越大。但是當(dāng)電阻值超過一定值后，性能難以有進(jìn)一步的改善，其原因在于10 kΩ左右的電阻值已經(jīng)能起到足夠的射頻隔離作用。如果進(jìn)一步增加電阻，不僅不能帶來射頻性能的提升，相反地，會導(dǎo)致開關(guān)切換速度的惡化，原因在于柵極切換時間正比于柵極電阻和柵極電容的乘積，即柵極電容充放電的時間常數(shù)，柵極電阻越大，該時間常數(shù)越大，開關(guān)切換速度越慢?；谶@兩方面的折中考慮，本文設(shè)計的雙刀雙擲開關(guān)的柵極電阻取值10 kΩ。就仿真而言，該阻值下，插損最優(yōu)，開關(guān)切換時間仿真為30 ns，沒有超過典型的指標(biāo)要求（50 ns），切換速度快。

5 ?仿真與實(shí)測結(jié)果對比

采用上文述的設(shè)計方法，并考慮到各個設(shè)計要點(diǎn)，本文設(shè)計并流片了一款17～35 GHz的雙刀雙擲開關(guān)芯片，同時集成了射頻收發(fā)切換開關(guān)和極化開關(guān)，可廣泛應(yīng)用于超寬帶或多頻段多功能雷達(dá)組件中，其柵極控制電壓為-28 V/0 V。仿真數(shù)據(jù)顯示，17～ 20 GHz頻段的典型插入損耗為2 dB，隔離度為30 dB，30～35 GHz頻段內(nèi)的典型插損值為2.5 dB，

隔離度典型值為20 dB，如圖6和圖7的虛線所示。采用氮化鎵HEMT單片工藝流片后，經(jīng)過在片測試，結(jié)果表明17～

20 GHz頻段內(nèi)插損和隔離度的典型值為1.5 dB和28 dB，30～35 GHz頻段的插損和隔離端典型值為3 dB和20 dB，如圖6和圖7的實(shí)線所示。經(jīng)過裝配后，進(jìn)行耐功率能力的測試，結(jié)果表明在18 GHz，該開關(guān)的輸入P0.1 dB值為40 dBm，其壓縮特性曲線如圖8所示。芯片尺寸緊湊，僅為3×2.5 mm2，適用于新型高集成雷達(dá)組件解決方案。

6 ?結(jié) ?論

本文針對高集成多功能雷達(dá)前端應(yīng)用，提出了一種超寬帶雙刀雙擲氮化鎵功率開關(guān)芯片的設(shè)計方法，利用該方法，設(shè)計并流片了一款頻率范圍為17～35 GHz同時覆蓋多個頻段的功率開關(guān)芯片，功能集成度高，芯片尺寸小，尺寸僅為3×2.5 mm2，測試結(jié)果表明，17～20頻段的插損和隔離度分別為2.2 dB和27 dB，30～35 GHz頻段的插損和隔離度分別為2.7 dB和30 dB。裝配后的耐功率測試表明輸入P0.1 dB為40 dBm。

參考文獻(xiàn)：

[1] YVES M，CHRISTIAN R. New developments and trends for active antennas and TR Modules [C]//2014 International Radar Conference.Lille：IEEE，2014：1-3.

[2] 郝躍.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.

[3] ANDREA B，MAURO F，PATRICK E，et al. A 6-18 GHz GaAs Multifunctional Chip for Transmit/Receive Modules [C]//2014 11th European Radar Conference.Rome：IEEE，2014：1908-1911.

[4] MASATAKE H，TAMOTSU N，YOSHITAKA K，et al. An S-band 100W GaN protection switch [C]//2007 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium.Honolulu：IEEE，2007：1389-1392.

[5] ZHENG X，JOHN C，STEVEN E，et al. Ka-band high power GaN SPDT switch MMIC [C]//2013 IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium（CSICS）.Monterey：IEEE，2013：1-5.

作者簡介：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。