屈曉敏，段 磊，郭躍偉，崔 健

（河北博威集成電路有限公司，河北 石家莊 050200）

0 引 言

隨著5G 無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，萬(wàn)物互聯(lián)逐漸成為現(xiàn)實(shí)，各種電子產(chǎn)品、通信基站以及工業(yè)設(shè)備都可以通過(guò)無(wú)線接入的方式相互通信。其中，毫米波頻段以其寬帶寬、大容量以及低時(shí)延特點(diǎn)被應(yīng)用于5G 通信技術(shù)。微波開(kāi)關(guān)起信號(hào)控制作用，是射頻前端不可或缺的關(guān)鍵性器件。隨著收發(fā)（Transmitter/Receiver，T/R）組件的快速發(fā)展，多通道電路需求越來(lái)越多，為實(shí)現(xiàn)多通道之間的快速切換，單刀多擲開(kāi)關(guān)必不可少[1]。

因此，文章選用先進(jìn)化合物半導(dǎo)體工藝，設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮開(kāi)關(guān)管柵源電容等寄生參數(shù)的影響，優(yōu)化開(kāi)關(guān)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最終設(shè)計(jì)了一款可以應(yīng)用于毫米波頻段的具有低插損和高隔離度優(yōu)異性能的單刀四擲反射式開(kāi)關(guān)芯片。

1 電路分析

開(kāi)關(guān)電路的最大耐受功率取決于電路中串聯(lián)開(kāi)關(guān)管在導(dǎo)通狀態(tài)下能承受的最大電流和并聯(lián)開(kāi)關(guān)管在關(guān)斷狀態(tài)下下能承受的最大電壓[2,3]。

場(chǎng)效應(yīng)晶體管通過(guò)柵壓控制二維電子氣濃度，即二維電子氣的濃度隨著柵壓的變化而發(fā)生變化，從而導(dǎo)致溝道電阻變化，使得晶體管處于不同工作狀態(tài)[4,5]。PHEMT 有增強(qiáng)型和耗盡型2 種結(jié)構(gòu)，此處使用耗盡型開(kāi)關(guān)管，采用0 V 和-5 V 電壓控制開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通或者關(guān)斷。

開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷等效電路圖如圖1 所示。開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的模型可以等效為小電阻，約幾歐姆，如圖1（a）所示。導(dǎo)通電阻Ron的計(jì)算公式為

圖1 開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷等效電路圖

式中：Rs表示源極電阻；Rd表示漏極電阻；Rch表示溝道電阻。

開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)等效為小電容，電容為fF 量級(jí)，如圖1（b）所示。開(kāi)關(guān)管柵寬越長(zhǎng)，導(dǎo)通時(shí)的等效電阻會(huì)越小，關(guān)斷時(shí)的等效電容會(huì)越大。常用的開(kāi)關(guān)拓?fù)浞譃榇?lián)型、串并型以及并聯(lián)型開(kāi)關(guān)3 種。根據(jù)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)端口的輸出駐波，又可分為吸收式開(kāi)關(guān)和反射式開(kāi)關(guān)。

串聯(lián)型開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和串并型開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有寬帶寬和面積小等優(yōu)點(diǎn)。隨著頻段升高，開(kāi)關(guān)管寄生效應(yīng)影響增大，如果采用開(kāi)關(guān)管串聯(lián)型或者串并型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，那么為實(shí)現(xiàn)低插損，需要將串聯(lián)開(kāi)關(guān)管柵寬變大。但是，柵寬越大，寄生效應(yīng)越強(qiáng)，從而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)導(dǎo)通態(tài)時(shí)輸入輸出駐波波形變差。同時(shí)，串聯(lián)開(kāi)關(guān)管柵寬越大，關(guān)斷時(shí)隔離度越差，不能滿足毫米波頻段低插損和高隔離度的使用需求。因此，采用并聯(lián)型反射式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，芯片電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 芯片電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

現(xiàn)分析開(kāi)關(guān)RF2、RF3、RF4支路關(guān)斷，RF1支路導(dǎo)通時(shí)的情況。關(guān)斷支路，此時(shí)并聯(lián)開(kāi)關(guān)管為導(dǎo)通狀態(tài)，可等效為小電阻，開(kāi)關(guān)管并聯(lián)接地可等效為小電阻接地，近似理想接地，開(kāi)關(guān)關(guān)斷支路等效電路如圖3 所示。導(dǎo)通支路，此時(shí)支路開(kāi)關(guān)管處于斷開(kāi)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)管等效為小電容（容值極?。?，開(kāi)關(guān)管并聯(lián)接地可等效為對(duì)地開(kāi)路，等效電路如圖4 所示。

圖3 開(kāi)關(guān)關(guān)斷支路等效電路圖

圖4 開(kāi)關(guān)導(dǎo)通支路等效電路圖

其中，1/4 波長(zhǎng)（λ/4）阻抗變換公式為

式中：Zin表示輸入端阻抗；ZO表示傳輸線特征阻抗；ZL表示負(fù)載阻抗。

圖3 中，ZL近似為0 Ω。通過(guò)式（2）可知，從源端Zin看到RF2的阻抗為無(wú)窮大，近似為斷路。圖4 中，COM 端口Zin和RF1端口ZL均為為50 Ω，因此當(dāng)1/4 波長(zhǎng)傳輸線阻抗ZO為50 Ω 時(shí)，端口和傳輸線匹配良好，輸入輸出駐波波形較好，射頻信號(hào)經(jīng)COM 端口流向RF1端口，插入損耗為微帶線的傳輸損耗。

2 開(kāi)關(guān)芯片的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)毫米波開(kāi)關(guān)芯片時(shí)，主要的難點(diǎn)包括較小的插入損耗、較高的開(kāi)關(guān)隔離度以及較寬的工作頻帶。

實(shí)際應(yīng)用中，隔離度和插入損耗是2 個(gè)互相制約的指標(biāo)，與支路上并聯(lián)開(kāi)關(guān)管的個(gè)數(shù)以及開(kāi)關(guān)管柵寬大小相關(guān)。并聯(lián)開(kāi)關(guān)管的數(shù)量與開(kāi)關(guān)隔離度高低成正比，但是增加并聯(lián)開(kāi)關(guān)管的數(shù)量會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)導(dǎo)通支路的插損變大。通過(guò)式（2）可知，較高的隔離度要求并管柵寬較大，導(dǎo)通時(shí)等效電阻接近為0 Ω。但是，當(dāng)開(kāi)關(guān)管尺寸較大時(shí)，導(dǎo)通支路關(guān)斷的開(kāi)關(guān)管等效電容也將變大，對(duì)地阻抗將不再是無(wú)窮大，進(jìn)一步導(dǎo)致導(dǎo)通支路插損變大。因此，選擇合適的開(kāi)關(guān)管尺寸和并聯(lián)開(kāi)關(guān)管數(shù)量對(duì)毫米波開(kāi)關(guān)的插入損耗和隔離度指標(biāo)至關(guān)重要。為滿足高隔離度和低插損的指標(biāo)要求，電路采用每個(gè)支路并聯(lián)3 個(gè)開(kāi)關(guān)管，每個(gè)開(kāi)關(guān)管柵指數(shù)為3，柵寬為45 μm。

開(kāi)關(guān)管采用先進(jìn)化合物半導(dǎo)體工藝，襯底厚度為70 μm，通過(guò)計(jì)算得到頻率為36 GHz，阻抗為50 Ω時(shí)的微帶線寬度為47 μm，1/4 波長(zhǎng)為731 μm。不同頻率對(duì)應(yīng)的1/4 波長(zhǎng)線長(zhǎng)度不一樣，因此約束了開(kāi)關(guān)電路的帶寬。此外，如果每節(jié)1/4 波長(zhǎng)線阻抗均為50 Ω，傳輸線寬度都為47 μm，將不利于電路版圖布版。 微帶線傳播模式為準(zhǔn)橫電磁波模式（Transverse Electromagnetic Mode， TEM）。工作頻率較高時(shí)，裸露在空氣中的電磁力線變多，空間耦合變嚴(yán)重，尺寸較寬微帶線之間易發(fā)生功率耦合，進(jìn)而影響開(kāi)關(guān)性能。因此，設(shè)計(jì) 1/4 波長(zhǎng)線時(shí)，根據(jù)式（2），采用高低阻抗線替代50 Ω 微帶線，既減小微帶線寬度，又減小各支路之間的射頻耦合，且利于芯片電路版圖布版。

文章設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)，第一節(jié)1/4 波長(zhǎng)線阻抗ZO1為68 Ω，第二節(jié)阻抗ZO2為84 Ω，第三節(jié)阻抗ZO3為61.7 Ω。根據(jù)式（2）計(jì)算得，50 Ω 的阻抗通過(guò)第一段阻抗變換線后ZO1變?yōu)?2.5 Ω，通過(guò)第二段阻抗變換線后ZO2變?yōu)?6.3 Ω，通過(guò)第三段阻抗變換線后ZO3變?yōu)?0 Ω，最終實(shí)現(xiàn)良好的端口匹配，保證了較好的輸入輸出回波損耗性能。

文章介紹的開(kāi)關(guān)芯片工作在毫米波頻段，基于隔離度原因，在版圖排版時(shí)設(shè)計(jì)相鄰支路端口間距大于 1 000 μm，保證芯片在板級(jí)應(yīng)用中各支路有較高的隔離度。芯片設(shè)計(jì)過(guò)程中，需考慮每條支路導(dǎo)通時(shí)相位和幅度的一致性。利用仿真軟件搭建原理圖，匹配完成后對(duì)整版電路進(jìn)行電磁仿真，最終芯片尺寸為1.85 mm× 1.55 mm。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

采用先進(jìn)化合物半導(dǎo)體工藝線進(jìn)行流片，回片后在探針臺(tái)對(duì)芯片進(jìn)行小信號(hào)S 參數(shù)測(cè)試，開(kāi)關(guān)芯片測(cè)試曲線如圖5 所示。由圖5 可知，在28 ～42 GHz范圍內(nèi)，輸入回波損耗小于-10 dB，輸出回波損耗典型值小于-10 dB，插入損耗小于3.2 dB，隔離度絕對(duì)值大于38 dB。

圖5 開(kāi)關(guān)芯片測(cè)試曲線

4 結(jié) 論

文章采用PHEMT 工藝，研制了一款28 ～42 GHz單刀四擲開(kāi)關(guān)芯片。芯片電路選用并聯(lián)型反射式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用高低阻抗變換線代替?zhèn)鹘y(tǒng)50 Ω 的1/4 波長(zhǎng)線，從而縮小芯片尺寸，降本芯片成本。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在28 ～42 GHz 頻帶內(nèi)，開(kāi)關(guān)芯片輸入輸出回波損耗小于-10 dB，插損小于3.2 dB，隔離度大于38 dB，是目前文獻(xiàn)報(bào)道此頻段最優(yōu)值，性能優(yōu)異，適用于多通道收發(fā)組件。