寬帶單刀雙擲氮化鎵功率開關芯片

戴劍 馬偉賓

摘要：文章設計了一款基于氮化鎵HEMT工藝的單片射頻單刀雙擲開關芯片（SPDT switch）。采用寬帶匹配結構，實現(xiàn)了超寬帶開關特性，覆蓋頻率DC-18 GHz，并且在工作帶寬內優(yōu)化了開關耐功率能力。裝配后的S參數(shù)測試結果顯示，在DC-18 GHz內插入損耗最大值在18 GHz頻點處，為1.5 dB。連續(xù)波耐功率測試表明芯片的輸入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。

關鍵詞：超寬帶;射頻開關;單刀雙擲;插損;耐功率能力

中圖分類號：TN61;TN303? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：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)異的電學特性和熱學特性[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。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器件在關態(tài)下可以通過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，導通電阻小，使得器件在開態(tài)下能夠承受很高的電流擺幅，同時損耗很低。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。

單刀雙擲功率開關通常用于雷達收發(fā)組件中，用于發(fā)射和接收的切換，如圖1所示，也常用于極化開關的切換。射頻功率開關的主要指標包括帶寬、插損、隔離度、耐受功率以及切換時間。插入損耗是指理想開關在開態(tài)下傳輸?shù)截撦d的功率與實際開關在開態(tài)下傳輸?shù)截撦d的功率之比;隔離度是指理想開關在關態(tài)下傳輸?shù)截撦d的功率與實際開關在關態(tài)下傳輸?shù)截撦d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時的輸入功率，此即傳輸特性壓縮0.1 dB時的輸入功率，用于衡量開關耐受功率的能力。常用射頻功率開關包括PIN開關、砷化鎵FET開關、硅基SOI開關以及氮化鎵HEMT開關。PIN開關具有插損低、耐功率高等優(yōu)點，但是PIN開關正常工作時需要一個額外的偏置電流，增加了系統(tǒng)功耗和復雜度，限制了其應用領域。砷化鎵FET開關插損低，切換時間快，然而砷化鎵FET器件本身的擊穿電壓較低，無法應用于耐受功率超過2 W的場合。硅基SOI開關的耐功率能力受限。氮化鎵HEMT器件的電流密度大，擊穿電壓高，導通電阻低，切換時間快，無須耗散額外的直流功耗，非常適合于射頻收發(fā)切換開關的設計。

隨著雷達系統(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。寬帶功率開關在系統(tǒng)中扮演著極其重要的角色。Yu等人設計并測試驗證了L波段的大功率SP4T開關[2]，P0.1dB達到20 W，插入損耗低至1.4 dB。Hangai等人設計了S波段的SPST功率開關[3]，耐功率能力達到100 W，插損為1 dB。Ma等人設計了一款全單片Ku頻段SPDT開關，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構[4]，實現(xiàn)了DC-10 GHz寬帶單刀雙擲開關，插入損耗低于1 dB，耐功率能力達到5 W。

本文利用基于SiC襯底的GaN工藝，研究和設計了DC-18 GHz寬帶高功率單刀雙擲開關。首先對開關電路的寬帶匹配結構進行了研究，確定了所采用的拓撲結構;其次對開關器件耐受功率的機理進行了分析，針對設計目標，確定了器件尺寸;最后在流片完之后，進行了在片S參數(shù)評估和裝配耐功率評估。

1? 寬帶單刀雙擲開關設計方法

絕大多數(shù)基于FET/HEMT器件的開關在較低的頻段無須任何匹配或調諧元件，其工作頻段便可延伸至DC，可認為其本身就是超寬帶的。但是隨著頻率的提升，由于關態(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，形成真正的寬帶開關，需要在開關器件之外利用額外的無源電感元件進行調諧和匹配，以抵消關態(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撲結構。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。這種拓撲結構能在很寬的帶寬內減小開態(tài)插損，提升關態(tài)隔離度，改善輸入輸出駐波比。

為了實現(xiàn)單刀雙擲的DC-18 GHz寬帶匹配，兩個射頻支路分別采用兩個并聯(lián)到地的GaN HEMT器件和一個串聯(lián)GaN HEMT器件，如圖2所示。HEMT器件在關態(tài)下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;開關器件在開態(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)為射頻導通狀態(tài)，端口1到端口3之間呈現(xiàn)為射頻關斷狀態(tài)，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)，以提高端口間的隔離度，除此以外，串并結構也可進一步提升隔離度。多支節(jié)的兩并一串匹配拓撲能較大幅度地提升匹配帶寬，在本文的設計中，絕對帶寬達到DC-18 GHz，相對帶寬達到200%。開關采用負電控制，即-28 V/0 V為控制電壓。

2? 耐受功率的設計以及隔離度的優(yōu)化

開關電路能通過的最大射頻功率取決于關態(tài)HEMT器件所能承受的最大電壓擺幅和開態(tài)HEMT器件所能承受的最大傳輸電流。當輸入射頻功率逐漸增加時，會觀察到開關發(fā)生功率壓縮。其壓縮機理來源于兩個方面。一是電壓壓縮，即并聯(lián)器件在關態(tài)下所承受的電壓擺幅超過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)器件在開態(tài)下流過的射頻電流峰值超出了器件所能承受的最大電流。當開關的電壓或電流壓縮過多時，器件會發(fā)生燒毀。常用的衡量開關功率能力的指標是P0.1dB，即輸出功率發(fā)生壓縮0.1 dB時的輸入功率。在50歐姆系統(tǒng)中，開關電路所能承受的功率可以通過以下公式進行計算[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，開關電路的最大耐受功率取決于三種可能的壓縮機理的最低值。

為了提升在整個頻段內的開關隔離度，可在串聯(lián)器件上與之并聯(lián)一段帶線。當串聯(lián)器件處于關斷狀態(tài)時，等效為一個小電容，與它并聯(lián)的微帶線自身的電感量與小電容構成諧振單元[5]，從傳輸特性上看，具有提升關斷支路兩個端口之間隔離度的作用。傳統(tǒng)的串聯(lián)結構具有低頻隔離度好，高頻隔離度差的特點，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，盡管低頻隔離度會有輕微惡化，對于本文設計的DC-18 GHz寬頻帶開關而言，該結構能有效提高18 GHz附近的隔離度。

3? 柵極電阻的設計考慮

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開關電路中，不需要柵極濾波電路，只需要一個較大的電阻。大多數(shù)情況下，根據(jù)經(jīng)驗規(guī)則，柵極電阻取值范圍一般為2～5 kΩ·mm，即1 mm柵寬的開關HEMT采用2～5 kΩ的電阻進行柵極偏置，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。柵極電阻的取值會影響開關特性，如工作頻率、開關切換時間、插入損耗、瞬態(tài)響應以及耐功率能力。具體而言，當柵極偏置電阻過小時，射頻信號會泄露至柵極控制端，使得射頻主路上的插損發(fā)生惡化，與此同時，柵電阻過小也會導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，影響開關耐功率能力。為量化和分析此影響，利用諧波平衡方法，計算了一個10×100 μm的GaN HEMT器件插損特性，圖3為器件在14 GHz頻點處插入損耗隨柵極電阻的變化關系。

該器件的柵極偏置電阻約為7 kΩ時，插入損耗達到最優(yōu)值，此時耐功率能力也達到最大。但是如果進一步增加柵極電阻，射頻性能難以得到進一步改善，原因在于10 kΩ左右的電阻值對于該工藝的1 mm柵寬器件而言，已經(jīng)能起到足夠的射頻隔離作用;如果進一步增加電阻，不僅不能改善射頻性能，與之相反，還會導致開關切換速度和開關瞬態(tài)響應能力的惡化，機理在于柵極切換時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間常數(shù)，柵極電阻越大，該時間常數(shù)越大，開關切換速度越慢。

4? 實測結果

使用寬帶匹配技術，考慮到耐受功率的要求，本文設計并驗證了一款DC-18 GHz寬帶高功率開關，控制電壓為-28 V/0 V。流片后進行了在片小信號S參數(shù)測試，如圖4（a）所示，插損在10 GHz以內時低于1 dB，在18 GHz時為1.4 dB。輸入輸出回波損耗低于-20 dB。隔離度在全頻帶內高于25 dB。將開關芯片燒結在鉬銅片上，再燒結在鋁盒底上，輸入輸出鍵合到帶線上，帶線再轉接頭引出。多次進行波耐功率測試，測試數(shù)據(jù)如圖4（b）所示，輸入P0.1dB達到40 dBm。是目前文獻中報道的此頻段內的最大值。

5? 結? 論

本文針對雷達射頻組件應用，研究了寬帶高功率開關的設計瓶頸。基于機理分析，采用兩并一串的多支節(jié)匹配結構，同時從器件尺寸的角度進行了耐功率能力的優(yōu)化，設計了一款頻率范圍為DC-18 GHz的射頻功率開關，流片后測試性能優(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到40 dBm。同時隔離度達到了25 dB以上。芯片面積緊湊，尺寸僅為1.6×1.2 mm2。該芯片可廣泛應用于雷達系統(tǒng)中。

參考文獻：

[1] 郝躍，張金風，張進成.氮化物寬禁帶半導體材料與電子器件 [M].北京：科學出版社，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.

作者簡介：戴劍（1989—），男，漢族，江蘇揚中人，工程師，碩士，研究方向：集成電路設計。