Ka 波段高隔離單刀四擲開關芯片

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 無線通信技術的快速發展，萬物互聯逐漸成為現實，各種電子產品、通信基站以及工業設備都可以通過無線接入的方式相互通信。其中，毫米波頻段以其寬帶寬、大容量以及低時延特點被應用于5G 通信技術。微波開關起信號控制作用，是射頻前端不可或缺的關鍵性器件。隨著收發（Transmitter/Receiver，T/R）組件的快速發展，多通道電路需求越來越多，為實現多通道之間的快速切換，單刀多擲開關必不可少[1]。

因此，文章選用先進化合物半導體工藝，設計過程中充分考慮開關管柵源電容等寄生參數的影響，優化開關電路拓撲結構，最終設計了一款可以應用于毫米波頻段的具有低插損和高隔離度優異性能的單刀四擲反射式開關芯片。

1 電路分析

開關電路的最大耐受功率取決于電路中串聯開關管在導通狀態下能承受的最大電流和并聯開關管在關斷狀態下下能承受的最大電壓[2,3]。

場效應晶體管通過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生變化，從而導致溝道電阻變化，使得晶體管處于不同工作狀態[4,5]。PHEMT 有增強型和耗盡型2 種結構，此處使用耗盡型開關管，采用0 V 和-5 V 電壓控制開關管導通或者關斷。

開關管導通和關斷等效電路圖如圖1 所示。開關管導通時的模型可以等效為小電阻，約幾歐姆，如圖1（a）所示。導通電阻Ron的計算公式為

圖1 開關管導通和關斷等效電路圖

式中：Rs表示源極電阻；Rd表示漏極電阻；Rch表示溝道電阻。

開關管關斷時等效為小電容，電容為fF 量級，如圖1（b）所示。開關管柵寬越長，導通時的等效電阻會越小，關斷時的等效電容會越大。常用的開關拓撲分為串聯型、串并型以及并聯型開關3 種。根據開關斷開時端口的輸出駐波，又可分為吸收式開關和反射式開關。

串聯型開關拓撲結構和串并型開關拓撲結構具有寬帶寬和面積小等優點。隨著頻段升高，開關管寄生效應影響增大，如果采用開關管串聯型或者串并型拓撲結構，那么為實現低插損，需要將串聯開關管柵寬變大。但是，柵寬越大，寄生效應越強，從而導致開關導通態時輸入輸出駐波波形變差。同時，串聯開關管柵寬越大，關斷時隔離度越差，不能滿足毫米波頻段低插損和高隔離度的使用需求。因此，采用并聯型反射式拓撲結構，芯片電路拓撲結構如圖2 所示。

圖2 芯片電路拓撲結構

現分析開關RF2、RF3、RF4支路關斷，RF1支路導通時的情況。關斷支路，此時并聯開關管為導通狀態，可等效為小電阻，開關管并聯接地可等效為小電阻接地，近似理想接地，開關關斷支路等效電路如圖3 所示。導通支路，此時支路開關管處于斷開狀態，開關管等效為小電容（容值極小），開關管并聯接地可等效為對地開路，等效電路如圖4 所示。

圖3 開關關斷支路等效電路圖

圖4 開關導通支路等效電路圖

其中，1/4 波長（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表示負載阻抗。

圖3 中，ZL近似為0 Ω。通過式（2）可知，從源端Zin看到RF2的阻抗為無窮大，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1/4 波長傳輸線阻抗ZO為50 Ω 時，端口和傳輸線匹配良好，輸入輸出駐波波形較好，射頻信號經COM 端口流向RF1端口，插入損耗為微帶線的傳輸損耗。

2 開關芯片的設計

設計毫米波開關芯片時，主要的難點包括較小的插入損耗、較高的開關隔離度以及較寬的工作頻帶。

實際應用中，隔離度和插入損耗是2 個互相制約的指標，與支路上并聯開關管的個數以及開關管柵寬大小相關。并聯開關管的數量與開關隔離度高低成正比，但是增加并聯開關管的數量會導致開關導通支路的插損變大。通過式（2）可知，較高的隔離度要求并管柵寬較大，導通時等效電阻接近為0 Ω。但是，當開關管尺寸較大時，導通支路關斷的開關管等效電容也將變大，對地阻抗將不再是無窮大，進一步導致導通支路插損變大。因此，選擇合適的開關管尺寸和并聯開關管數量對毫米波開關的插入損耗和隔離度指標至關重要。為滿足高隔離度和低插損的指標要求，電路采用每個支路并聯3 個開關管，每個開關管柵指數為3，柵寬為45 μm。

開關管采用先進化合物半導體工藝，襯底厚度為70 μm，通過計算得到頻率為36 GHz，阻抗為50 Ω時的微帶線寬度為47 μm，1/4 波長為731 μm。不同頻率對應的1/4 波長線長度不一樣，因此約束了開關電路的帶寬。此外，如果每節1/4 波長線阻抗均為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橫電磁波模式（Transverse Electromagnetic Mode， TEM）。工作頻率較高時，裸露在空氣中的電磁力線變多，空間耦合變嚴重，尺寸較寬微帶線之間易發生功率耦合，進而影響開關性能。因此，設計 1/4 波長線時，根據式（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。

文章設計的開關，第一節1/4 波長線阻抗ZO1為68 Ω，第二節阻抗ZO2為84 Ω，第三節阻抗ZO3為61.7 Ω。根據式（2）計算得，50 Ω 的阻抗通過第一段阻抗變換線后ZO1變為92.5 Ω，通過第二段阻抗變換線后ZO2變為76.3 Ω，通過第三段阻抗變換線后ZO3變為50 Ω，最終實現良好的端口匹配，保證了較好的輸入輸出回波損耗性能。

文章介紹的開關芯片工作在毫米波頻段，基于隔離度原因，在版圖排版時設計相鄰支路端口間距大于 1 000 μm，保證芯片在板級應用中各支路有較高的隔離度。芯片設計過程中，需考慮每條支路導通時相位和幅度的一致性。利用仿真軟件搭建原理圖，匹配完成后對整版電路進行電磁仿真，最終芯片尺寸為1.85 mm× 1.55 mm。

3 測試結果及分析

采用先進化合物半導體工藝線進行流片，回片后在探針臺對芯片進行小信號S 參數測試，開關芯片測試曲線如圖5 所示。由圖5 可知，在28 ～42 GHz范圍內，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，隔離度絕對值大于38 dB。

圖5 開關芯片測試曲線

4 結 論

文章采用PHEMT 工藝，研制了一款28 ～42 GHz單刀四擲開關芯片。芯片電路選用并聯型反射式拓撲結構，采用高低阻抗變換線代替傳統50 Ω 的1/4 波長線，從而縮小芯片尺寸，降本芯片成本。實測結果表明，在28 ～42 GHz 頻帶內，開關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，是目前文獻報道此頻段最優值，性能優異，適用于多通道收發組件。