超寬帶雙刀雙擲氮化鎵功率開關芯片

戴劍 張忠山

摘 ?要：文章提出了一種超寬帶射頻開關拓撲結構，利用該拓撲結構，設計了一款基于氮化鎵單片工藝的超寬帶（17～35 GHz）雙刀雙擲功率開關芯片，同一芯片上集成了射頻收發切換開關和極化開關。在片測試結果顯示，該芯片在整個頻段內的插入損耗典型值為2.5 dB，隔離度典型值為27 dB。裝配測試表明該芯片的輸入P0.1 dB為40 dBm，具有較高的耐功率能力。芯片尺寸僅為3×2.5 mm2。該功率開關芯片可廣泛應用于多功能雷達射頻組件中，用于發射/接收的切換和極化方向的選擇。

關鍵詞：超寬帶;射頻開關;雙刀雙擲;插損;耐功率能力

中圖分類號：TM564 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）06-0048-04

Ultra Wideband DPDT GaN Power Switch Chip

DAI Jian，ZHANG Zhongshan

（The 13th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shijiazhuang ?050000，China）

Abstract：This paper presents a ultra wideband topology for RF switch. Using this topology，a ultra wideband（17～35 GHz）DPDT power switch chip is designed based on GaN monolithic process，RF transceiver switch and polarization switch are integrated on the same chip. On-wafer measurement results show a typical insertion loss and isolation of 2.5 dB and 27 dB over the entire frequency band. The assembly test shows that the input P0.1 dB of the chip is 40 dBm，and it has high power endurance. The chip size is only 3×2.5 mm2. The power switch chip can be widely used in multi-function radar RF module for transmitting/receiving switching and polarization direction selection.

Keywords：ultra wideband;RF switch;DPDT;insertion loss;power endurance

0 ?引 ?言

隨著多功能有源相控陣雷達系統的發展，其核心部件單片微波集成電路（MMIC）得到了廣泛和深入的研究[1]。為了實現更寬的頻帶，更小的尺寸，更輕的重量，更高的功率以及更低的成本，單片微波集成電路及其系統在工藝材料和設計架構上都得到了較大的改進。近十幾年來發展的氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）與其相應的單片電路工藝為多功能雷達提供了新的高集成解決方案。氮化鎵晶體管具有高電流密度、高擊穿電壓以及低導通電阻等優點，非常適合射頻微波功率放大器和功率開關電路的制作[2]。

在雷達收發組件中常用一個單刀雙擲的功率開關來實現發射和接收的切換，稱之為收發開關。低插損、寬頻帶、高耐受功率和較快的切換時間是收發開關的主要指標。常用的有 PIN開關、GaAs FET開關、MEMS開關以及氮化鎵HEMT開關[3]。PIN開關具有插損低，耐功率高的優點，但是PIN開關正常工作時需要一個額外的、較大的偏置電流，增加了系統功耗和復雜度，限制了其應用范圍。GaAs FET開關插損低，切換時間快，然而GaAs器件本身的擊穿電壓較低，無法應用在耐受功率超過2 W的場景。MEMS開關最顯著的優點是極低的插損（～0.2 dB），但是切換時間非常緩慢（～10 μs），難以應用于需要快速切換的射頻收發組件。氮化鎵HEMT器件電流密度大（～0.6 A/mm），擊穿電壓高（～80 V），導通電阻低（～2 Ω·mm），切換時間快（～50 ns），無須耗散額外的直流功耗，非常適合于射頻收發切換開關的設計。

除了用一個單刀雙擲開關實現收發切換外，多功能雷達的射頻組件還經常使用另外一個單刀雙擲開關實現發射和接收的雙極化，稱之為極化開關。極化的目的在于，獲得被測地物像元的極化散射矩陣，進而將目標散射的能量特性、相位特性和極化特性統一起來，相對完整地描述雷達目標的電磁散射特性。極化開關一般位于收發開關和天線之間，其主要指標和收發開關的指標一致。典型的射頻前端模塊如圖1所示。

針對多功能雷達新架構的迫切需求，提出了一種超寬帶的功率開關設計方法，即多枝節兩串一并的拓撲匹配方式，利用該方法和拓撲結構設計了一款17～35 GHz超寬帶開關芯片，同時覆蓋雷達和通信常用的17～20 GHz和30～35 GHz頻段，芯片集成了兩個單刀雙擲開關，通過串聯方式構成了一個雙刀雙擲開關，如圖1所示，采用一體化設計和優化，該雙刀雙擲開關芯片總的插損指標要優于兩個分立的單刀雙擲開關芯片插損之和。同時其面積也遠小于兩個單刀雙擲芯片面積之和，不僅減小了微波組件的尺寸，還大幅度降低了芯片成本。為超寬帶新型多功能雷達的研制提供了堅實的芯片基礎。

1 ?寬帶單刀雙擲開關設計方法

該開關采用負電控制，即-28 V/0 V為控制電壓。為了實現寬帶匹配，每個射頻支路采用了兩個并聯的HEMT器件和一個串聯HEMT器件，如圖2所示。開關HEMT器件在關態下可等效于一個很小的電容，其數值在幾十至幾百fF之間，具體取值視器件總柵寬而定;開關器件在開態下，等效為幾歐姆的電阻。圖2所示的電路在Port1到Port2之間為射頻導通狀態，Port1到Port3之間為射頻關斷態，其小信號等效電路如圖3所示，四分之一的波長線的目的在于將開態器件呈現的低阻態變換至端口處的高阻態，提高了端口間的隔離度，同時串并結構可進一步提升隔離。多支節的兩并一串匹配結構能大幅度提升匹配帶寬，在本設計中，利用該拓撲結構，絕對帶寬達到17～35 GHz，覆蓋了通信和雷達常用的17～20 GHz和30～35 GHz頻段，相對帶寬達到92.3%。

2 ?開關耐功率的設計考慮

在50歐姆系統中，氮化鎵HEMT開關管在開態下的耐受功率能力取決于能流過器件的最大電流，即器件的最大電流值，接近該最大電流值時產生壓縮，一旦超過該值，器件會燒毀;在關態下的耐受功率取決于柵極和漏極之間以及柵極與源極之間能夠達到的最大電壓擺幅，既不發生擊穿，也不產生壓縮，其表達式分別為[4]：

（1）

Poff=min[（VBD-Vg）2/25，（Vg-Vp）2/25] ? ? ? ? ?（2）

其中，Pon是器件處于開態下的耐功率能力，Poff是器件處于關態下的耐功率能力，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。

在本文的設計中，單個開關射頻支路采用兩并一串的拓撲結構，仿真表明當輸入功率為40 dBm時，并聯器件上的最大電壓擺幅為30 V，低于器件發生擊穿或者壓縮時的擺幅大小;同時串聯器件上經過的電流擺幅為400 mA，串聯器件的總柵寬為1.2 mm，該工藝的器件最大電流值為600 mA/mm，因此可供流經的最大電流為720 mA，遠高于400 mA，從而在設計上保證了串聯器件避免壓縮或燒毀。

3 ?雙刀雙擲開關一體化優化設計

一般而言，收發切換開關和極化開關分別獨立設計，將兩個單獨的芯片各自匹配至50歐姆后再通過鍵和絲級聯，這樣引入了額外的插入損耗。典型的寬帶開關插損約為2 dB，如果采用分立單刀雙擲芯片，加上鍵合絲引入的插入損耗0.2 dB，那么總的插損為4.2 dB，發射效率低至一半以下，噪聲系數直接增加4.2 dB，這種性能惡化是雷達組件系統難以接受的，影響到整個雷達系統的射頻性能以及散熱管理。本文創造性地將兩個單刀單擲開關集成在同一個芯片上，構成一個雙刀雙擲開關，只需要輸入輸出端口匹配至50歐姆，通過一體化設計優化，中間級聯端口無須匹配至50歐姆，就能夠達到整體最優的性能，示意圖如圖4所示。通過仿真計算表明，通過級聯優化，總的插入損耗能達到僅2.5 dB的水平（典型值），且能保證優異的隔離度性能。

4 ?柵極電阻的影響及設計考慮

開關電路中，開關HEMT器件柵極上需要一個較大的電阻用作隔離，抑制通過柵極電容泄露的射頻能量[5]。柵極電阻的大小直接影響到GaN HEMT的插入損耗和耐功率能力。如果柵電阻過小，一方面，射頻信號會泄露至柵極控制端，導致射頻主路上的插損惡化，另一方面，柵電阻過小，導致分布在柵漏和柵源上的射頻電壓幅度不等，造成了提前壓縮或者擊穿，影響耐功率能力。為了觀察這種影響，在仿真上選擇了一個10×60 μm的HEMT器件，仿真計算了柵極電阻大小對插入損耗和耐功率能力的具體影響，如圖5所示，虛線是柵極電阻為1 kΩ的功率壓縮曲線，實線是柵極電阻為10 kΩ的功率壓縮曲線，結果顯示柵極電阻越大，插入損耗越小，耐受功率越大。但是當電阻值超過一定值后，性能難以有進一步的改善，其原因在于10 kΩ左右的電阻值已經能起到足夠的射頻隔離作用。如果進一步增加電阻，不僅不能帶來射頻性能的提升，相反地，會導致開關切換速度的惡化，原因在于柵極切換時間正比于柵極電阻和柵極電容的乘積，即柵極電容充放電的時間常數，柵極電阻越大，該時間常數越大，開關切換速度越慢。基于這兩方面的折中考慮，本文設計的雙刀雙擲開關的柵極電阻取值10 kΩ。就仿真而言，該阻值下，插損最優，開關切換時間仿真為30 ns，沒有超過典型的指標要求（50 ns），切換速度快。

5 ?仿真與實測結果對比

采用上文述的設計方法，并考慮到各個設計要點，本文設計并流片了一款17～35 GHz的雙刀雙擲開關芯片，同時集成了射頻收發切換開關和極化開關，可廣泛應用于超寬帶或多頻段多功能雷達組件中，其柵極控制電壓為-28 V/0 V。仿真數據顯示，17～ 20 GHz頻段的典型插入損耗為2 dB，隔離度為30 dB，30～35 GHz頻段內的典型插損值為2.5 dB，

隔離度典型值為20 dB，如圖6和圖7的虛線所示。采用氮化鎵HEMT單片工藝流片后，經過在片測試，結果表明17～

20 GHz頻段內插損和隔離度的典型值為1.5 dB和28 dB，30～35 GHz頻段的插損和隔離端典型值為3 dB和20 dB，如圖6和圖7的實線所示。經過裝配后，進行耐功率能力的測試，結果表明在18 GHz，該開關的輸入P0.1 dB值為40 dBm，其壓縮特性曲線如圖8所示。芯片尺寸緊湊，僅為3×2.5 mm2，適用于新型高集成雷達組件解決方案。

6 ?結 ?論

本文針對高集成多功能雷達前端應用，提出了一種超寬帶雙刀雙擲氮化鎵功率開關芯片的設計方法，利用該方法，設計并流片了一款頻率范圍為17～35 GHz同時覆蓋多個頻段的功率開關芯片，功能集成度高，芯片尺寸小，尺寸僅為3×2.5 mm2，測試結果表明，17～20頻段的插損和隔離度分別為2.2 dB和27 dB，30～35 GHz頻段的插損和隔離度分別為2.7 dB和30 dB。裝配后的耐功率測試表明輸入P0.1 dB為40 dBm。

參考文獻：

[1] YVES M，CHRISTIAN R. New developments and trends for active antennas and TR Modules [C]//2014 International Radar Conference.Lille：IEEE，2014：1-3.

[2] 郝躍.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.

[3] ANDREA B，MAURO F，PATRICK E，et al. A 6-18 GHz GaAs Multifunctional Chip for Transmit/Receive Modules [C]//2014 11th European Radar Conference.Rome：IEEE，2014：1908-1911.

[4] MASATAKE H，TAMOTSU N，YOSHITAKA K，et al. An S-band 100W GaN protection switch [C]//2007 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium.Honolulu：IEEE，2007：1389-1392.

[5] ZHENG X，JOHN C，STEVEN E，et al. Ka-band high power GaN SPDT switch MMIC [C]//2013 IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium（CSICS）.Monterey：IEEE，2013：1-5.

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。