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摘要：文章设计了一款基于氮化镓HEMT工艺的单片射频单刀双掷开关芯片（SPDT switch）。采用宽带匹配结构，实现了超宽带开关特性，覆盖频率DC-18 GHz，并且在工作带宽内优化了开关耐功率能力。装配后的S参数测试结果显示，在DC-18 GHz内插入损耗最大值在18 GHz频点处，为1.5 dB。连续波耐功率测试表明芯片的输入P0.1dB为40 dBm，具有较高的耐功率能力。芯片尺寸仅为1.6×1.2 mm2。
关键词：超宽带;射频开关;单刀双掷;插损;耐功率能力
中图分类号：TN61;TN303 文献标识码：A 文章编号：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镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）具有优异的电学特性和热学特性[1]，非常适用于高功率控制电路的制作，相较于GaAs的电路具有很大的性能优势。GaN HEMT器件具有很高的击穿电压，用在控制电路中可以使用较高的控制电压，从而使得并联GaN HEMT器件在关态下可以通过很大的射频电压摆幅。除此以外，GaN HEMT器件具有很高的二维电子气密度，饱和沟道电流大，导通电阻小，使得器件在开态下能够承受很高的电流摆幅，同时损耗很低。主流的GaN工艺采用SiC衬底，SiC衬底具有高绝缘特性，有效减小了高电压和高电流下的衬底射频泄露。
单刀双掷功率开关通常用于雷达收发组件中，用于发射和接收的切换，如图1所示，也常用于极化开关的切换。射频功率开关的主要指标包括带宽、插损、隔离度、耐受功率以及切换时间。插入损耗是指理想开关在开态下传输到负载的功率与实际开关在开态下传输到负载的功率之比;隔离度是指理想开关在关态下传输到负载的功率与实际开关在关态下传输到负载的功率之比;P0.1dB是指插入损耗随输入功率增加而增加0.1 dB时的输入功率，此即传输特性压缩0.1 dB时的输入功率，用于衡量开关耐受功率的能力。常用射频功率开关包括PIN开关、砷化镓FET开关、硅基SOI开关以及氮化镓HEMT开关。PIN开关具有插损低、耐功率高等优点，但是PIN开关正常工作时需要一个额外的偏置电流，增加了系统功耗和复杂度，限制了其应用领域。砷化镓FET开关插损低，切换时间快，然而砷化镓FET器件本身的击穿电压较低，无法应用于耐受功率超过2 W的场合。硅基SOI开关的耐功率能力受限。氮化镓HEMT器件的电流密度大，击穿电压高，导通电阻低，切换时间快，无须耗散额外的直流功耗，非常适合于射频收发切换开关的设计。
随着雷达系统的发展，若要集成更多的功能，就需要配备带宽更宽的射频收发组件。宽带功率开关在系统中扮演着极其重要的角色。Yu等人设计并测试验证了L波段的大功率SP4T开关[2]，P0.1dB达到20 W，插入损耗低至1.4 dB。Hangai等人设计了S波段的SPST功率开关[3]，耐功率能力达到100 W，插损为1 dB。Ma等人设计了一款全单片Ku频段SPDT开关，在18 GHz的耐功率能力和插入损耗分别为4 W和1.4 dB。Koudymov等人提出了一种宽带匹配结构[4]，实现了DC-10 GHz宽带单刀双掷开关，插入损耗低于1 dB，耐功率能力达到5 W。
本文利用基于SiC衬底的GaN工艺，研究和设计了DC-18 GHz宽带高功率单刀双掷开关。首先对开关电路的宽带匹配结构进行了研究，确定了所采用的拓扑结构;其次对开关器件耐受功率的机理进行了分析，针对设计目标，确定了器件尺寸;最后在流片完之后，进行了在片S参数评估和装配耐功率评估。
1 宽带单刀双掷开关设计方法 绝大多数基于FET/HEMT器件的开关在较低的频段无须任何匹配或调谐元件，其工作频段便可延伸至DC，可认为其本身就是超宽带的。但是随着频率的提升，由于关态下等效电容的存在，其插入损耗和隔离度性能急剧下降。为了使工作频段延伸至微波频段，形成真正的宽带开关，需要在开关器件之外利用额外的无源电感元件进行调諧和匹配，以抵消关态电容的影响。使用较多的提升宽带性能的方法是采用类似分布式或行波电路的拓扑结构。具体而言，就是采用串联器件和并联器件的组合，如图2所示，并联器件和高阻传输线或螺旋电感共同构成了等效的接近50欧姆的传输线，以匹配至50欧姆端口。串联器件提升隔离度。这种拓扑结构能在很宽的带宽内减小开态插损，提升关态隔离度，改善输入输出驻波比。
为了实现单刀双掷的DC-18 GHz宽带匹配，两个射频支路分别采用两个并联到地的GaN HEMT器件和一个串联GaN HEMT器件，如图2所示。HEMT器件在关态下等效于一个很小的电容，其数值在几十至几百fF之间，具体取值视器件总栅宽而定;开关器件在开态下，等效于几欧姆的电阻。图2所示的电路在端口1到端口2之间呈现为射频导通状态，端口1到端口3之间呈现为射频关断状态，四分之一的波长线的目的在于将开态器件呈现的低阻态变换至端口处的高阻态，以提高端口间的隔离度，除此以外，串并结构也可进一步提升隔离度。多支节的两并一串匹配拓扑能较大幅度地提升匹配带宽，在本文的设计中，绝对带宽达到DC-18 GHz，相对带宽达到200%。开关采用负电控制，即-28 V/0 V为控制电压。
2 耐受功率的设计以及隔离度的优化
开关电路能通过的最大射频功率取决于关态HEMT器件所能承受的最大电压摆幅和开态HEMT器件所能承受的最大传输电流。当输入射频功率逐渐增加时，会观察到开关发生功率压缩。其压缩机理来源于两个方面。一是电压压缩，即并联器件在关态下所承受的电压摆幅超过阈值电压或击穿电压，输出功率不再随输入功率增加而线性增加;二是电流压缩，串联器件在开态下流过的射频电流峰值超出了器件所能承受的最大电流。当开关的电压或电流压缩过多时，器件会发生烧毁。常用的衡量开关功率能力的指标是P0.1dB，即输出功率发生压缩0.1 dB时的输入功率。在50欧姆系统中，开关电路所能承受的功率可以通过以下公式进行计算[5]：
Pmax=min[25（VBD-VG）2/25（VG-VP）2/25] （1）
其中，Imax是器件的最大电流值，VBD是器件击穿电压，Vg是栅极控制电压，Vp是器件的夹断电压，式（1）表明，开关电路的最大耐受功率取决于三种可能的压缩机理的最低值。
为了提升在整个频段内的开关隔离度，可在串联器件上与之并联一段带线。当串联器件处于关断状态时，等效为一个小电容，与它并联的微带线自身的电感量与小电容构成谐振单元[5]，从传输特性上看，具有提升关断支路两个端口之间隔离度的作用。传统的串联结构具有低频隔离度好，高频隔离度差的特点，为了改善高频段的隔离度，在串管两端并联一截微带线，可大大改善高频的隔离度，尽管低频隔离度会有轻微恶化，对于本文设计的DC-18 GHz宽频带开关而言，该结构能有效提高18 GHz附近的隔离度。
3 栅极电阻的设计考虑
与PIN二极管不同的是，HEMT是三端口器件，控制电压施加于栅极，同时栅极需要保证和射频通路处于隔离状态。因此，在大多数HEMT开关电路中，不需要栅极滤波电路，只需要一个较大的电阻。大多数情况下，根据经验规则，栅极电阻取值范围一般为2～5 kΩ·mm，即1 mm栅宽的开关HEMT采用2～5 kΩ的电阻进行栅极偏置，可以在射频通路与栅极电源之间提供足够高的射频隔离度。栅极电阻的取值会影响开关特性，如工作频率、开关切换时间、插入损耗、瞬态响应以及耐功率能力。具体而言，当栅极偏置电阻过小时，射频信号会泄露至栅极控制端，使得射频主路上的插损发生恶化，与此同时，栅电阻过小也会导致分布在栅漏和栅源上的射频电压摆幅不等，造成栅漏或栅源的提前压缩或击穿，影响开关耐功率能力。为量化和分析此影响，利用谐波平衡方法，计算了一个10×100 μm的GaN HEMT器件插损特性，图3为器件在14 GHz频点处插入损耗随栅极电阻的变化关系。
该器件的栅极偏置电阻约为7 kΩ时，插入损耗达到最优值，此时耐功率能力也达到最大。但是如果进一步增加栅极电阻，射频性能难以得到进一步改善，原因在于10 kΩ左右的电阻值对于该工艺的1 mm栅宽器件而言，已经能起到足够的射频隔离作用;如果进一步增加电阻，不仅不能改善射频性能，与之相反，还会导致开关切换速度和开关瞬态响应能力的恶化，机理在于栅极切换时间正比于栅极电阻和栅极电容的乘积，此即为栅极电容充放电的时间常数，栅极电阻越大，该时间常数越大，开关切换速度越慢。
4 实测结果
使用宽带匹配技术，考虑到耐受功率的要求，本文设计并验证了一款DC-18 GHz宽带高功率开关，控制电压为-28 V/0 V。流片后进行了在片小信号S参数测试，如图4（a）所示，插损在10 GHz以内时低于1 dB，在18 GHz时为1.4 dB。输入输出回波损耗低于-20 dB。隔离度在全频带内高于25 dB。将开关芯片烧结在钼铜片上，再烧结在铝盒底上，输入输出键合到带线上，带线再转接头引出。多次进行波耐功率测试，测试数据如图4（b）所示，输入P0.1dB达到40 dBm。是目前文献中报道的此频段内的最大值。
5 结 论
本文针对雷达射频组件应用，研究了宽带高功率开关的设计瓶颈。基于机理分析，采用两并一串的多支节匹配结构，同时从器件尺寸的角度进行了耐功率能力的优化，设计了一款频率范围为DC-18 GHz的射频功率开关，流片后测试性能优异，插入损耗典型值为-1 dB，最低值为-1.4 dB，典型的耐受功率能力达到40 dBm。同时隔离度达到了25 dB以上。芯片面积紧凑，尺寸仅为1.6×1.2 mm2。该芯片可广泛应用于雷达系统中。
参考文献：
[1] 郝跃，张金风，张进成.氮化物宽禁带半导体材料与电子器件 [M].北京：科学出版社，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.
作者简介：戴剑（1989—），男，汉族，江苏扬中人，工程师，硕士，研究方向：集成电路设计。
关键词：超宽带;射频开关;单刀双掷;插损;耐功率能力
中图分类号：TN61;TN303 文献标识码：A 文章编号：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镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）具有优异的电学特性和热学特性[1]，非常适用于高功率控制电路的制作，相较于GaAs的电路具有很大的性能优势。GaN HEMT器件具有很高的击穿电压，用在控制电路中可以使用较高的控制电压，从而使得并联GaN HEMT器件在关态下可以通过很大的射频电压摆幅。除此以外，GaN HEMT器件具有很高的二维电子气密度，饱和沟道电流大，导通电阻小，使得器件在开态下能够承受很高的电流摆幅，同时损耗很低。主流的GaN工艺采用SiC衬底，SiC衬底具有高绝缘特性，有效减小了高电压和高电流下的衬底射频泄露。
单刀双掷功率开关通常用于雷达收发组件中，用于发射和接收的切换，如图1所示，也常用于极化开关的切换。射频功率开关的主要指标包括带宽、插损、隔离度、耐受功率以及切换时间。插入损耗是指理想开关在开态下传输到负载的功率与实际开关在开态下传输到负载的功率之比;隔离度是指理想开关在关态下传输到负载的功率与实际开关在关态下传输到负载的功率之比;P0.1dB是指插入损耗随输入功率增加而增加0.1 dB时的输入功率，此即传输特性压缩0.1 dB时的输入功率，用于衡量开关耐受功率的能力。常用射频功率开关包括PIN开关、砷化镓FET开关、硅基SOI开关以及氮化镓HEMT开关。PIN开关具有插损低、耐功率高等优点，但是PIN开关正常工作时需要一个额外的偏置电流，增加了系统功耗和复杂度，限制了其应用领域。砷化镓FET开关插损低，切换时间快，然而砷化镓FET器件本身的击穿电压较低，无法应用于耐受功率超过2 W的场合。硅基SOI开关的耐功率能力受限。氮化镓HEMT器件的电流密度大，击穿电压高，导通电阻低，切换时间快，无须耗散额外的直流功耗，非常适合于射频收发切换开关的设计。
随着雷达系统的发展，若要集成更多的功能，就需要配备带宽更宽的射频收发组件。宽带功率开关在系统中扮演着极其重要的角色。Yu等人设计并测试验证了L波段的大功率SP4T开关[2]，P0.1dB达到20 W，插入损耗低至1.4 dB。Hangai等人设计了S波段的SPST功率开关[3]，耐功率能力达到100 W，插损为1 dB。Ma等人设计了一款全单片Ku频段SPDT开关，在18 GHz的耐功率能力和插入损耗分别为4 W和1.4 dB。Koudymov等人提出了一种宽带匹配结构[4]，实现了DC-10 GHz宽带单刀双掷开关，插入损耗低于1 dB，耐功率能力达到5 W。
本文利用基于SiC衬底的GaN工艺，研究和设计了DC-18 GHz宽带高功率单刀双掷开关。首先对开关电路的宽带匹配结构进行了研究，确定了所采用的拓扑结构;其次对开关器件耐受功率的机理进行了分析，针对设计目标，确定了器件尺寸;最后在流片完之后，进行了在片S参数评估和装配耐功率评估。
1 宽带单刀双掷开关设计方法 绝大多数基于FET/HEMT器件的开关在较低的频段无须任何匹配或调谐元件，其工作频段便可延伸至DC，可认为其本身就是超宽带的。但是随着频率的提升，由于关态下等效电容的存在，其插入损耗和隔离度性能急剧下降。为了使工作频段延伸至微波频段，形成真正的宽带开关，需要在开关器件之外利用额外的无源电感元件进行调諧和匹配，以抵消关态电容的影响。使用较多的提升宽带性能的方法是采用类似分布式或行波电路的拓扑结构。具体而言，就是采用串联器件和并联器件的组合，如图2所示，并联器件和高阻传输线或螺旋电感共同构成了等效的接近50欧姆的传输线，以匹配至50欧姆端口。串联器件提升隔离度。这种拓扑结构能在很宽的带宽内减小开态插损，提升关态隔离度，改善输入输出驻波比。
为了实现单刀双掷的DC-18 GHz宽带匹配，两个射频支路分别采用两个并联到地的GaN HEMT器件和一个串联GaN HEMT器件，如图2所示。HEMT器件在关态下等效于一个很小的电容，其数值在几十至几百fF之间，具体取值视器件总栅宽而定;开关器件在开态下，等效于几欧姆的电阻。图2所示的电路在端口1到端口2之间呈现为射频导通状态，端口1到端口3之间呈现为射频关断状态，四分之一的波长线的目的在于将开态器件呈现的低阻态变换至端口处的高阻态，以提高端口间的隔离度，除此以外，串并结构也可进一步提升隔离度。多支节的两并一串匹配拓扑能较大幅度地提升匹配带宽，在本文的设计中，绝对带宽达到DC-18 GHz，相对带宽达到200%。开关采用负电控制，即-28 V/0 V为控制电压。
2 耐受功率的设计以及隔离度的优化
开关电路能通过的最大射频功率取决于关态HEMT器件所能承受的最大电压摆幅和开态HEMT器件所能承受的最大传输电流。当输入射频功率逐渐增加时，会观察到开关发生功率压缩。其压缩机理来源于两个方面。一是电压压缩，即并联器件在关态下所承受的电压摆幅超过阈值电压或击穿电压，输出功率不再随输入功率增加而线性增加;二是电流压缩，串联器件在开态下流过的射频电流峰值超出了器件所能承受的最大电流。当开关的电压或电流压缩过多时，器件会发生烧毁。常用的衡量开关功率能力的指标是P0.1dB，即输出功率发生压缩0.1 dB时的输入功率。在50欧姆系统中，开关电路所能承受的功率可以通过以下公式进行计算[5]：
Pmax=min[25（VBD-VG）2/25（VG-VP）2/25] （1）
其中，Imax是器件的最大电流值，VBD是器件击穿电压，Vg是栅极控制电压，Vp是器件的夹断电压，式（1）表明，开关电路的最大耐受功率取决于三种可能的压缩机理的最低值。
为了提升在整个频段内的开关隔离度，可在串联器件上与之并联一段带线。当串联器件处于关断状态时，等效为一个小电容，与它并联的微带线自身的电感量与小电容构成谐振单元[5]，从传输特性上看，具有提升关断支路两个端口之间隔离度的作用。传统的串联结构具有低频隔离度好，高频隔离度差的特点，为了改善高频段的隔离度，在串管两端并联一截微带线，可大大改善高频的隔离度，尽管低频隔离度会有轻微恶化，对于本文设计的DC-18 GHz宽频带开关而言，该结构能有效提高18 GHz附近的隔离度。
3 栅极电阻的设计考虑
与PIN二极管不同的是，HEMT是三端口器件，控制电压施加于栅极，同时栅极需要保证和射频通路处于隔离状态。因此，在大多数HEMT开关电路中，不需要栅极滤波电路，只需要一个较大的电阻。大多数情况下，根据经验规则，栅极电阻取值范围一般为2～5 kΩ·mm，即1 mm栅宽的开关HEMT采用2～5 kΩ的电阻进行栅极偏置，可以在射频通路与栅极电源之间提供足够高的射频隔离度。栅极电阻的取值会影响开关特性，如工作频率、开关切换时间、插入损耗、瞬态响应以及耐功率能力。具体而言，当栅极偏置电阻过小时，射频信号会泄露至栅极控制端，使得射频主路上的插损发生恶化，与此同时，栅电阻过小也会导致分布在栅漏和栅源上的射频电压摆幅不等，造成栅漏或栅源的提前压缩或击穿，影响开关耐功率能力。为量化和分析此影响，利用谐波平衡方法，计算了一个10×100 μm的GaN HEMT器件插损特性，图3为器件在14 GHz频点处插入损耗随栅极电阻的变化关系。
该器件的栅极偏置电阻约为7 kΩ时，插入损耗达到最优值，此时耐功率能力也达到最大。但是如果进一步增加栅极电阻，射频性能难以得到进一步改善，原因在于10 kΩ左右的电阻值对于该工艺的1 mm栅宽器件而言，已经能起到足够的射频隔离作用;如果进一步增加电阻，不仅不能改善射频性能，与之相反，还会导致开关切换速度和开关瞬态响应能力的恶化，机理在于栅极切换时间正比于栅极电阻和栅极电容的乘积，此即为栅极电容充放电的时间常数，栅极电阻越大，该时间常数越大，开关切换速度越慢。
4 实测结果
使用宽带匹配技术，考虑到耐受功率的要求，本文设计并验证了一款DC-18 GHz宽带高功率开关，控制电压为-28 V/0 V。流片后进行了在片小信号S参数测试，如图4（a）所示，插损在10 GHz以内时低于1 dB，在18 GHz时为1.4 dB。输入输出回波损耗低于-20 dB。隔离度在全频带内高于25 dB。将开关芯片烧结在钼铜片上，再烧结在铝盒底上，输入输出键合到带线上，带线再转接头引出。多次进行波耐功率测试，测试数据如图4（b）所示，输入P0.1dB达到40 dBm。是目前文献中报道的此频段内的最大值。
5 结 论
本文针对雷达射频组件应用，研究了宽带高功率开关的设计瓶颈。基于机理分析，采用两并一串的多支节匹配结构，同时从器件尺寸的角度进行了耐功率能力的优化，设计了一款频率范围为DC-18 GHz的射频功率开关，流片后测试性能优异，插入损耗典型值为-1 dB，最低值为-1.4 dB，典型的耐受功率能力达到40 dBm。同时隔离度达到了25 dB以上。芯片面积紧凑，尺寸仅为1.6×1.2 mm2。该芯片可广泛应用于雷达系统中。
参考文献：
[1] 郝跃，张金风，张进成.氮化物宽禁带半导体材料与电子器件 [M].北京：科学出版社，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.
作者简介：戴剑（1989—），男，汉族，江苏扬中人，工程师，硕士，研究方向：集成电路设计。