24～30 GHz GaN HEMT单片集成单刀双掷开关

曾丁元 朱浩慎,2 冯文杰 车文荃，2 薛泉，2

0 引言

由于5G移动通信技术的快速发展,Sub-6 GHz频段拥挤的频谱资源已难以满足5G无线通信的超高数据速率需求．毫米波频段具有丰富的频谱,是5G技术发展的必然选择．3GPP已经明确n257(28 GHz)和n258(26 GHz)频段为5G毫米波的优先部署频段．因此,近年来在上述频段开展了较多的研究工作[1-2],也得到非常多的关注．

在时分双工通信系统中,单刀双掷开关(Single-Pole Double-Throw,SPDT)控制发射和接收信号链路,通常置于天线与功率放大器和低噪声放大器之间作为连接模块,是收发系统中的关键模块之一．对于接收链路而言,开关的插入损耗直接影响整个系统的噪声性能,而对于发射链路则主要影响输出的功率以及功率附加效率[3]．毫米波频段前端模组中的开关,需要低的插入损耗来减小开关对整体系统性能的恶化．在传统射频前端中,开关与功率放大器和低噪声放大器通过封装实现互连往往引入额外的损耗与失配,尤其在毫米波频段,对性能恶化尤为显著．因此,对于毫米波前端电路,各模块采用同种工艺实现并单片集成有利于降低损耗,提升集成度．

过去,工作在毫米波频段的单刀双掷开关多使用CMOS、GaAs等工艺实现[4-5]．CMOS开关以其成熟的工艺技术,可以做到易集成、低成本但是其器件的击穿电压低,功率容量受限．GaAs开关拥有较低的插入损耗以及隔离性能,但相较于近年来发展起来的GaN开关技术,其衬底的热导率以及击穿电压较低,导致功率密度不及GaN开关．由于宽禁带半导体GaN在大功率射频功放的功率密度以及效率等方面具有显著优势,成为近年来的研究热点．随着5G毫米波技术的发展,研究大功率高效率毫米波集成前端具有广阔的应用前景．近期研究表明,GaN开关也可实现良好的插入损耗和隔离度性能．因此,利用GaN单片微波集成电路技术(MMIC)实现射频开关并与GaN功率放大器和低噪声放大器实现单片集成,可在大功率毫米波前端方面获得更优的性能[6]．2015年中国电子科技集团公司第十三研究所的郭丰强等[7]设计出了工作在Ku波段的GaN大功率单刀双掷开关,其插入损耗小于0.9 dB,隔离度大于27 dB,可承受10 W的连续波输入功率;2015年北京理工大学的郭德淳教授团队在第16届通信技术国际会议上发表了Ka波段的宽带GaN开关,采用1/4波长转换并联结构,且并联晶体管采用两个对称并联形式以增大隔离度,设计的开关在30～40 GHz频带内插入损耗小于2 dB,隔离度优于25 dB,回波损耗优于18 dB,输入功率1 dB压缩点可达39 dBm[8];2019年罗马第二大学的Polli等[9]采用100 nm GaN工艺设计出了一款应用于空载卫星的Ka波段单刀双掷开关,不同于传统并联开关结构,该开关使用串联晶体管感性谐振结构,33～39 GHz频带内实现了插入损耗为1.1 dB,隔离度为22 dB,以及39 dBm的输入功率1 dB压缩性能;2019年德国弗莱堡应用固体物理研究所的Thome等[10]采用100 nm GaN工艺设计了一款28～51 GHz的单刀双掷开关,采用1/4波长转换并联结构,插入损耗为1.4～2 dB,隔离度为23.5～27 dB．

本文基于硅基 GaN工艺设计了一款工作在24～30 GHz的单刀双掷开关,可同时覆盖5G毫米波的n257和n258频段．该开关通过采用1/4波长转换并联结构来兼顾插入损耗和隔离度性能,输入输出端口均串联MIM电容隔离直流成分并参与匹配．测试结果显示所设计的开关插入损耗在24～30 GHz内,插入损耗低于1.5 dB,隔离度优于28 dB,输入功率1 dB压缩点大于27 dBm(-5 V栅极偏置下),电路面积为1.08 mm2．

1 SPDT 开关电路设计

本文研究的GaN开关采用OMMIC的100 nm 的硅基GaN工艺(D01GH)适合微波和毫米波应用,其工艺截面如图1所示,包含空气桥,使用两层互联金属IN和MET1,可以实现绕线电感和微带传输线．有高低密度两种类型的电容以及两种类型的电阻,高阻值电阻使用GaN有源层实现,铬镍金属电阻阻值较低但精度高,通孔穿过100 μm的高电阻率硅基板减少对地寄生电感．采用AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)作为开关器件,具有100 nm栅长的蘑菇型栅极,使用再生长的欧姆接触减小源极接触电阻,特征频率(ft)和最大振荡频率(fmax)分别为110 GHz和160 GHz．30 GHz测试的功率密度为3.3 W/mm,击穿电压为40 V[11]．HEMT作为开关器件时的导通电阻(Ron)和关断电容(Coff)分别为1.4 Ω·mm和0.45 pF/mm．

图1 OMMIC D01GH工艺截面Fig.1 The cross section of OMMIC D01GH process

对于开关电路设计,通常由HEMT器件的栅极电压控制信号导通或者关闭．毫米波频段的寄生效应严重,而开关器件的导通电阻和关断电容直接决定了开关的插入损耗和隔离度性能,需仔细考虑开关的尺寸以获得满足要求的性能．一般而言,当HEMT器件栅极电压Vg大于其截止电压时,HEMT器件导通,可简单等效为导通电阻Ron．而HEMT栅极电压低于截止电压时,HEMT器件截止,可简单等效为关闭电容Coff．Ron与Coff的值越小则会获得越好的开关性能.如图2所示:随着HEMT器件栅宽增大,Ron减小,Coff增大；HEMT器件栅宽减小,则Ron增大,Coff减小．当栅宽为200 μm的时候,开关器件的Ron约为6.8 Ω,Coff约为91 fF,此时可获得较好的插入损耗和隔离度性能．若使用单级HEMT器件并联开关电路,则整体开关电路的隔离度为20 dB左右,不满足设计需求．而为保证较低的插入损耗,HEMT器件栅宽不能增大以减小Ron来优化隔离度性能．故需使用两级并联的开关电路,第二级选择较小栅宽的HEMT器件,如100 μm栅宽,以获得较小的Coff值,避免开关电路插入损耗性能恶化,同时两级并联结构又能获得较好的开关隔离度．

图2 不同栅宽开关器件的导通电阻和关断电容Fig.2 Ron and Coff of the HEMT with different gate widths

本文设计的SPDT开关为1/4波长转换并联结构,两条支路为对称结构,每条支路使用两级HEMT器件并联的拓扑以获得较大的隔离度．图3为设计的开关电路的拓扑结构．TL1和TL2为微带传输线,理论上长度为1/4波长时可以获得良好的隔离度,但一般只适用于频带较窄的设计．因此,在本文的设计中,需要适当调节其长度．此外,当M1和M3关闭时,该条支路导通,TL2与M1和M2关闭状态下的等效电容Coff1和Coff2组成π型电路,并与TL1完成阻抗变换．C1和C2均为MIM电容参与电路的输入和输出匹配,并可隔离直流成分．

图3 SPDT开关拓扑结构Fig.3 Topology of the proposed SPDT switch

利用电磁仿真工具ADS进行优化仿真,第一级HEMT器件M1和M2需选取较大尺寸以降低导通电阻增大隔离度,而第二级HEMT器件M3、M4尺寸较小,减小关断电容降低插入损耗．最终优化后选取M1和M2的栅宽为200 μm,M3和M4的栅宽为100 μm．C1为180 fF,C2为700 fF．该工艺50 Ω特性阻抗线宽为83 μm左右,不利于电路版图布局．故电路中微带线宽度均为40 μm,其特性阻抗约为67 Ω,与电路中其他元件互连并参与匹配．栅极电阻R用以隔离泄漏至栅极的射频信号,此处栅极电阻R的值为4 kΩ．电路整体控制电压使用两个PAD,控制电压为0 V和-5 V．

2 仿真与测试结果

基于100 nm GaN工艺实现24～30 GHz的SPDT开关,电路版图如图4a所示,电路加工实物照片如图4b所示,电路尺寸为630 μm×1 720 μm．开关的测试方案如图5所示,使用R&S®ZVA67矢量网络分析仪进行测试．采用在片的短路、开路、负载、馈通校准方案(SOLT)对电路3个端口进行校准．如图5b所示,由于网络分析仪输出的信号功率有限,故大信号S参数测试时在待测开关的输入端口加入了驱动放大器来增大网络分析仪输入开关的信号功率,并在开关导通支路的输出端加入衰减器,衰减进入网络分析仪的信号功率．

SPDT开关电路经在片测试,得到图6所示的仿真与测试结果．测试时,如图4b所示,一条支路的控制电压Vg2为0 V,该条支路断开;另一支路控制电压Vg1为-5 V,该支路导通．图6a为开关的输入输出回波损耗曲线,S11和S22为导通支路输入端口1和输出端口2的回波损耗,24～30 GHz频带内测试的输入回波损耗大于15 dB,输出回波损耗大于12 dB,均优于仿真结果．图6b为开关的插入损耗(S21)和隔离度(S31、S23)曲线,24～30 GHz频带内,测试的插入损耗低于1.5 dB(最低为1.18 dB),基本符合仿真结果;测试的关断支路的端口3至公共端口1之间的隔离度为28.8～30.8 dB,导通支路的端口2至关断支路的端口3之间的隔离度为29～30 dB,均优于仿真结果2～3 dB,说明实际HEMT晶体管的寄生参数与仿真模型稍有差别．

图4 SPDT开关电路版图和实物显微照片Fig.4 Layout (a) and micrograph (b) of the SPDT switch

图5 开关电路测试平台搭建Fig.5 Measurement setup of the SPDT switch a.small signal;b.large signal

图6 SPDT开关仿真与测试结果Fig.6 Simulation and measurement results of the SPDT switch a.return loss;b.insertion loss and isolation

图7是SPDT开关的大信号仿真结果．由图7a可以看出开关在24～30 GHz频带内的输入1 dB功率压缩点大于30 dBm．经过对电路的简单测试,得到大信号S参数的测试结果如图7b所示,Xcp表示插入损耗压缩曲线,S21为大信号输入下的插入损耗性能曲线,Pin为测试时的输入功率．当输入功率为27 dBm时,插入损耗还未压缩至1 dB,可知此开关的输入功率1 dB压缩点大于27 dBm．测试时的开关电路输入端接入了驱动放大器,导通支路输出端接了衰减器,与后仿真的电路环境有所区别,引入了一定的损耗,故测试的输入1 dB压缩点与后仿真结果有一定差距．表1对比了已发表的一些毫米波频段的GaN单刀双掷开关的工作,可以看到本文基于GaN的开关电路在28 GHz毫米波频段拥有优异的插入损耗以及隔离度性能,有利于集成高性能GaN毫米波前端．

图7 SPDT开关大信号S参数(S21)仿真与测试结果Fig.7 Simulation (a) and measurement (b) results of the large signal S-parameter (S21) for the SPDT switch

表1 与已有文献的性能比较

3 结束语

本文基于1/4波长转换并联的两级开关拓扑结构,采用硅基100 nm GaN工艺设计并实现了一种毫米波SPDT开关．电路测试结果表明该SPDT开关在24～30 GHz的范围内实现了1.2～1.5 dB的插入损耗,隔离度为28.8～30.8 dB,输入功率1 dB压缩点大于27 dBm,在插入损耗、隔离度和功率容量上都表现出了优良的性能,适用于单片集成的GaN毫米波前端组件,在5G毫米波相控阵系统上具有较好的应用前景．