基于GaAs pHEMT实现的毫米波宽频带低插损单刀双掷开关

张艺 张志浩 章国豪

0 引言

射频开关是射频前端收发组件中的重要组成部分,其重要性在实际应用中显而易见．目前设计射频开关的主流技术主要有CMOS[1]、PIN二极管[2]、微电子机械系统(MEMS)[3]，以及砷化镓赝高电子迁移率晶体管(GaAs pHEMT)[4]/氮化镓赝高电子迁移率晶体管(GaN pHEMT)[5]等技术．CMOS技术虽集成度高、成本低,但漏电的衬底导致较高的插入损耗和较低的隔离度;PIN二极管本质为一个在射频频段受电流控制的可变阻抗器;MEMS技术的优点是它可与CMOS工艺兼容,但其存在开关时间过长、驱动电压高、功率容量小等一系列缺陷;GaN虽在高速、高频、耐热性强和高功耗的应用领域性能优异,但其制造成本过于高昂;GaAs是集成电路领域中使用最广泛的材料之一,具有电子迁移率高、禁带宽度大、耐高温、抗辐射性能好、本征载流子浓度低以及成本低廉等诸多优势．

当工作频段为20 GHz以下,无源FET(场效应管)的串联或串并联结构可以很容易得到高性能的开关特性,其出色的隔离度和插入损耗结果在文献[1]中得到了证明．然而,在较高的频率下,寄生电容(主要是漏极至源极电容)会显著降低插入损耗的性能．迄今为止,大多数毫米波单片集成射频开关均为并联谐振型FET开关．例如:文献[5]设计了一条并联传输线,在工作频率带宽上与FET的等效断态电容产生谐振,以优化带内插入损耗,最终实现了一个工作在30～40 GHz频段、插损小于1.861 dB、隔离度大于27.651 dB的单刀双掷(SPDT)开关芯片;文献[6]采用类似的结构,在27～31 GHz设计的SPDT开关插入损耗低于1.3 dB,隔离度大于25 dB;文献[7]中采用1/4波长阻抗变换器作为电路的输入及输出匹配,得到了较好的回波损耗,优化了插入损耗,以此实现的GaAs pHEMT开关在36～38 GHz频段内获得低于3.2 dB的插损和大于28 dB的隔离度．为了进一步降低插入损耗,本文采用一种基于滤波器优化方法的双节枝毫米波开关拓扑架构,每个节枝由串联的1/4波长阻抗变换器及并联的开关器件构成,并将整体分布式结构视为一个滤波器问题进行处理,可以有效降低插入损耗．基于此开关架构,本文实现了一款采用0.15 μm GaAs pHEMT技术设计的宽频毫米波SPDT开关芯片．

1 器件简介

GaAs pHEMT工艺的异质结结构使其相比同质结结构的器件具有更高的电子浓度和迁移率．图1所示为GaAs pHEMT的结构侧视图．图1中由上及下分别为由n掺杂的AlGaAs层、未掺杂的AlGaAs Spacer层、2DEG、InGaAs沟道层、无掺杂的GaAs缓冲层．Spacer层用来隔离沟道电子与掺杂层接触．因为电子从禁带宽度较大的半导体向禁带宽度较小的半导体注入,所以在AlGaAs/InGaAs界面形成了高浓度的二维电子气体(2DEG),因此,与同质结MESFET相比,异质结器件具有更优异的高频性能．

图1 GaAs pHEMT的结构侧视图Fig.1 Side view of GaAs pHEMT structure

通常工艺优值(FOM)[8]越小,得到的射频开关的关键指标就越好．因此,在进行射频开关设计的首要步骤就是择优选取pHEMT管的尺寸．表1列举了不同尺寸下,频率(f)为28 GHz,VG=0.5 V的等效导通电阻Ron和VG=-5 V的等效关断电容Coff．通过表1中数据对比,最终选定尺寸为4 μm×50 μm以及2 μm×50 μm的pHEMT管进行本文的设计．

表1 不同尺寸pHEMT管的Ron和Coff仿真结果(f=28 GHz)

2 电路结构分析

本文设计的SPDT开关的整体电路结构如图2所示．整体电路采用双节枝的开关结构,每个节枝由串联的1/4波长阻抗变换器及并联的开关器件构成．其中,天线端(Port1)通过λ/4传输线进行输入匹配,与2条对称支路建立连接,而另一条λ/4传输线在2个并联到地的pHEMT管之间进行级间匹配,整体分布式结构最终视为一个滤波器问题进行处理．首先,从源端看过去输入阻抗可简化为

图2 单刀双掷射频开关电路Fig.2 Schematic diagram of a single-pole double-throw radio frequency switch

图3 导通支路等效电路Fig.3 Equivalent circuit diagram of the conducting branch

(4)

而作为隔离支路即控制信号为VG1=0.5 V,VG2=-5 V时,其简化的等效原理如图4所示,此时pHEMT管等效为R1、R2,将2条λ/4传输线分为2个部分进行分析.从图4中可知,由于R1、R2很小,因此由式(3)可以得到λ/4线另一端呈现为高阻抗,使得此支路处于隔离状态.此外,还增加了一条λ/4传输线和一个并联到地的pHEMT管,这就进一步阻挡了信号向隔离端Port3泄露,大大提升了电路的隔离度(i),由ABCD矩阵可得隔离度为

图4 关断支路等效电路Fig.4 Equivalent circuit diagram of the turn-off branch

(5)

3 测试结果与分析

图5为实现的毫米波GaAs pHEMT SPDT开关的实物,整体芯片面积为2.1 mm×1.1 mm．在片测试系统搭建如图6所示,采用Cascade探针台和Agilent E8363C矢量网络分析仪完成对SPDT射频开关的S参数测试．

图5 单刀双掷开关芯片实物图Fig.5 Image of a single-pole double-throw switch chip

图6 Cascade探针台和Agilent E8363C矢量网络分析仪Fig.6 Cascade probe station and Agilent E8363C vector network analyzer

如图7—10所示,将SPDT开关芯片的插入损耗、隔离度以及输入和输出回波损耗的测试与仿真结果做了对比．从整体趋势来看,由于处在高频,仿真模型存在不可避免的误差,实测结果相对于仿真结果出现了频偏．在23～30 GHz频带内,如图7所示测试的插入损耗(LI)小于1.3 dB．由图8可知,该开关测试的隔离度性能大于23 dB,在工作频带内实测结果比仿真结果高1 dB．由图9和10可知,输入、输出回波损耗的仿真与测试结果均优于10 dB,表示电路具备良好的回波损耗性能．

图7 插入损耗测试曲线与仿真结果曲线对比Fig.7 Comparison of insertion loss test and simulation results

图8 隔离度测试曲线与仿真结果曲线对比Fig.8 Comparison of isolation test and simulation results

图9 输入回波损耗测试曲线与仿真结果曲线对比Fig.9 Comparison of input return loss test and simulation results

图10 输出回波损耗测试曲线与仿真结果曲线对比Fig.10 Comparison of output return loss test and simulation results

4 结论

本文基于滤波器优化方法设计了一款双节枝毫米波GaAs pHEMT开关架构,两路开关均含有两节枝,每节枝由1/4波长阻抗变换器及并联的开关器件构成,不仅提升了电路的回波损耗而且优化了整体电路的插入损耗,同时在不降低插损的前提下改善了隔离度．利用该架构基于0.15 μm的GaAs pHEMT工艺实现了一个面积为2.1 mm×1.1 mm的SPDT开关MMIC芯片,该开关在23～30 GHz工作频段内,实现了插入损耗优于1.3 dB、隔离度大于23 dB的射频性能．