CN107069152A - 一种毫米波超宽带大功率高隔离度集成单刀双掷开关 - Google Patents

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梁文丰
盖川
姜鑫
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Abstract

本发明公开了一种毫米波超宽带大功率高隔离度集成单刀双掷开关，包括一个功分器和2个单刀双掷开关，每个单刀双掷开关包括6个相同的堆叠场效应管单元。本发明的有益效果为：提出的紧凑型分布式结构，大大增加了开关的功率容量，去除了恶化开关高频性能的寄生电感，减小了芯片的尺寸，提高了开关的工作带宽，在毫米波段效果尤其明显；隔离度高；对于多指场效应管，此紧凑型分布式结构的优势可以最大发挥；无需直流偏置，不消耗能量，控制简单。提出的紧凑型分布式堆叠场效应管单元还可以用于毫米波衰减器、移相器等，减小芯片尺寸，提高工作带宽和功率容量，增加隔离度。

Description

一种毫米波超宽带大功率高隔离度集成单刀双掷开关
技术领域
本发明涉及半导体集成电路技术领域，尤其是一种毫米波超宽带大功率高隔离度集成单刀双掷开关。
背景技术
开关常应用于射频收发机中，放置于接收机输入端和发射机输出端，用于控制接收和发射状态的切换。由于位置特殊，开关的线性度是接收机和发射机总体线性度的制约因素。发射机输出信号功率很高，而接收机一般具有很高的灵敏度，如果开关的隔离度不够，开关状态切换的瞬间发射的大功率信号很容易倒灌入接收机，导致接收机损坏。因此，对于大功率收发机而言，一个具有高功率容量和高隔离度的开关极其关键。
在E波段，器件的分布式效应明显，场效应管不能被视为简单的理想元件，其源极几何尺寸较大，会引入寄生参数。同样的，一小段传输线引入的寄生电感对电路性能也产生很大影响。如何降低寄生参数，是设计超宽带毫米波电路的一个巨大挑战。
一般而言，PIN二极管的功率容量优于场效应管，但是PIN二极管通常需要额外的直流偏置电路，消耗更多能量，同时导致较慢的开关速度。采用场效应管堆叠技术，可以提高功率容量。但是简单的堆叠场效应管，导致芯片布局不紧凑，同时工作带宽相对较窄。
提高隔离度的方法是减小开关在关断状态下的信号泄露，在信号线和场效应管之间加入四分之一波长传输线，减小场效应管和无源结构之间的耦合，可以使开关隔离度提高，但是仅适用于窄带设计。因此，需要发明一种有效减小寄生参数的结构，使集成单刀双掷开关在很宽的毫米波频段兼具大功率和高隔离度性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种毫米波超宽带大功率高隔离度集成单刀双掷开关，能够提高开关的工作带宽、功率容量和隔离度。
为解决上述技术问题，本发明提供一种毫米波超宽带大功率高隔离度集成单刀双掷开关，包括一个功分器1和2个单刀双掷开关2，每个单刀双掷开关2包括6个相同的堆叠场效应管单元3；功分器1的一端作为信号输入端，另一端分两路连接单刀双掷开关2，每路单刀双掷开关1包括6个依次相连的堆叠场效应管单元3连接信号输出端。
优选的，堆叠场效应管3中，第一个场效应管的源极作为信号线的一部分，第二个场效应管的漏极与接地孔相连，第一个场效应管的漏极与第二个场效应管的源极通过一段较短的传输线相连。该结构巧妙去除了恶化开关高频性能的寄生电感，同时大大增加了开关的功率容量。
优选的，单刀双掷开关采用0.1微米砷化镓半导体集成电路工艺实现，该工艺的截止频率为135GHz，击穿电压为9V，可以在E波段实现大功率器件。
优选的，使用四指场效应管，最小为两指场效应管。进一步增加了功率容量，同时，紧凑型分布式结构减小芯片尺寸和提高工作带宽的优势得到更大发挥。
优选的，堆叠场效应管单元间的传输线宽度与栅极宽度相等。这样整个信号线宽度相同，没有不连续性。同时，布版时弯曲传输线，进一步减小芯片尺寸。
优选的，场效应管的栅极通过三千欧姆电阻连接到控制电压引脚。实现信号与控制电压的有效隔离，栅极没有电流，故开关不消耗功率。
优选的，开关芯片有两个控制电压的引脚，分别控制两路信号通断。控制电压幅度为0V，-3V。
优选的，开关每个支路都采用六个堆叠场效应管单元，单元数可以增加，也可以减少，仿真结果表明，采用六个单元时，隔离度高，***损耗也可以接受。
本发明的有益效果为：提出的紧凑型分布式结构，大大增加了开关的功率容量，去除了恶化开关高频性能的寄生电感，减小了芯片的尺寸，提高了开关的工作带宽，在毫米波段效果尤其明显；隔离度高；对于多指场效应管，此紧凑型分布式结构的优势可以最大发挥；无需直流偏置，不消耗能量，控制简单。提出的紧凑型分布式堆叠场效应管单元还可以用于毫米波衰减器、移相器等，减小芯片尺寸，提高工作带宽和功率容量，增加隔离度。
附图说明
图1是本发明的单刀双掷开关的原理示意图。
图2是传统分布式开关的版图示意图。
图3是新的紧凑型分布式堆叠场效应管单元版图示意图。
图4是传统分布式开关性能随连接传输线长度变化的仿真结果示意图。
图5是本发明的开关***损耗和隔离度的仿真与测试结果示意图。
图6是本发明的开关输入回波损耗和输出回波损耗的仿真与测试结果示意图。
图7是本发明的开关在三个频率点处输入1dB压缩点的测试结果示意图。
具体实施方式
本发明提供的毫米波超宽带大功率高隔离度集成单刀双掷开关，采用了一种新的紧凑分布式结构和场效应管堆叠技术，可以用较小的电路面积实现超宽带，兼具大功率和高隔离度性能的毫米波集成单刀双掷开关。
如图1所示，本发明毫米波超宽带大功率高隔离度集成单刀双掷开关包括一个功分器、两个单刀单掷开关。所述单刀单掷开关包括六个相同的堆叠场效应管单元，采用一种新的紧凑型分布式结构相连。
如图2所示，在传统分布式开关中场效应管漏极和信号线通过传输线TLPAR相连，传输线TLPAR相当于寄生电感，毫米波电路对其极为敏感，导致开关在频率高于60GHz之后***损耗和隔离性能迅速恶化，仿真结果如图4所示。同时每个场效应管单元间的传输线TLCON长度受到限制，它不能小于接地孔的宽度，通常接地孔的尺寸又很大，这使布板缺少灵活性。
图3是组成开关的场效应管单元的版图。不同于传统分布式结构，所述堆叠场效应管单元中第一个场效应管的源极作为信号线的一部分，而第二个场效应管的漏极与接地孔相连，第一个场效应管的漏极与第二个场效应管的源极通过一段较短的传输线相连。此新结构省去了连接场效应管漏极和信号线的传输线TLPAR，同时传输线TLCON的长度不再受限于接地孔尺寸，它的长度选择有更多的灵活性。这样减小了分布式开关的尺寸，提高了其工作带宽。场效应管单元采用堆叠场效应管技术，使得其中每个管子承受的电压为总电压的一半，大大提高了开关的功率容量。
图5是开关***损耗与隔离度的仿真与测试结果。从图中可以看出，在30-75GHz频段，开关***损耗低于3dB，隔离度高于40dB。在10-95GHz频段，开关保持优异的30dB以上的隔离度。而一般场效应管开关的隔离度介于20dB到30dB之间，工作带宽远低于本发明的开关。
图6是开关输入回波损耗和输出回波损耗的仿真与测试结果。从图中可以看出，在30-110GHz频段，开关的输入输出回波损耗均优于10dB，显示良好的宽带性能。
图7是开关在三个频率点处输入1dB压缩点的测试结果。从图中可以看出，开关的输入1dB压缩点在31GHz处为20.2dBm，在40GHz处为17.8dBm，在45GHz处为17.3dBm。由于开关工作带宽太大，测试时使用了两款驱动放大器。它们分别是工作在28-31GHz输入1dB压缩点为+35dBm的大功率功放和工作在34-46.5GHz输入1dB压缩点为+22dBm的中等功率功放。在更高的毫米波频段，由于缺少足够功率的功放，所以没有测试结果。
本发明毫米波超宽带大功率高隔离度集成单刀双掷开关采用砷化镓半导体集成电路工艺实现。提出的紧凑型分布式堆叠场效应管单元还可以用于毫米波衰减器、移相器等，减小芯片尺寸，提高工作带宽和功率容量，增加隔离度。
尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims (6)

1.一种毫米波超宽带大功率高隔离度集成单刀双掷开关，其特征在于，包括：一个功分器(1)和2个单刀双掷开关(2)，每个单刀双掷开关(2)包括6个相同的堆叠场效应管单元(3)；功分器(1)的一端作为信号输入端，另一端分两路连接单刀双掷开关(2)，每路单刀双掷开关(1)包括6个依次相连的堆叠场效应管单元(3)连接信号输出端。
2.如权利要求1所述的毫米波超宽带大功率高隔离度集成单刀双掷开关，其特征在于，堆叠场效应管(3)中，第一个场效应管的源极作为信号线的一部分，第二个场效应管的漏极与接地孔相连，第一个场效应管的漏极与第二个场效应管的源极通过一段较短的传输线相连。
3.如权利要求1所述的毫米波超宽带大功率高隔离度集成单刀双掷开关，其特征在于，单刀双掷开关采用0.1微米砷化镓半导体集成电路工艺实现。
4.如权利要求2所述的毫米波超宽带大功率高隔离度集成单刀双掷开关，其特征在于，堆叠场效应管单元(3)使用四指场效应管。
5.如权利要求4所述的毫米波超宽带大功率高隔离度集成单刀双掷开关，其特征在于，堆叠场效应管单元(3)间的传输线宽度与栅极宽度相等。
6.如权利要求5所述的毫米波超宽带大功率高隔离度集成单刀双掷开关，其特征在于，堆叠场效应管单元(3)的栅极通过三千欧姆电阻连接到控制电压引脚。
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