Ka 波段高隔离单刀四掷开关芯片

屈晓敏，段 磊，郭跃伟，崔 健

（河北博威集成电路有限公司，河北 石家庄 050200）

0 引 言

随着5G 无线通信技术的快速发展，万物互联逐渐成为现实，各种电子产品、通信基站以及工业设备都可以通过无线接入的方式相互通信。其中，毫米波频段以其宽带宽、大容量以及低时延特点被应用于5G 通信技术。微波开关起信号控制作用，是射频前端不可或缺的关键性器件。随着收发（Transmitter/Receiver，T/R）组件的快速发展，多通道电路需求越来越多，为实现多通道之间的快速切换，单刀多掷开关必不可少[1]。

因此，文章选用先进化合物半导体工艺，设计过程中充分考虑开关管栅源电容等寄生参数的影响，优化开关电路拓扑结构，最终设计了一款可以应用于毫米波频段的具有低插损和高隔离度优异性能的单刀四掷反射式开关芯片。

1 电路分析

开关电路的最大耐受功率取决于电路中串联开关管在导通状态下能承受的最大电流和并联开关管在关断状态下下能承受的最大电压[2,3]。

场效应晶体管通过栅压控制二维电子气浓度，即二维电子气的浓度随着栅压的变化而发生变化，从而导致沟道电阻变化，使得晶体管处于不同工作状态[4,5]。PHEMT 有增强型和耗尽型2 种结构，此处使用耗尽型开关管，采用0 V 和-5 V 电压控制开关管导通或者关断。

开关管导通和关断等效电路图如图1 所示。开关管导通时的模型可以等效为小电阻，约几欧姆，如图1（a）所示。导通电阻Ron的计算公式为

图1 开关管导通和关断等效电路图

式中：Rs表示源极电阻；Rd表示漏极电阻；Rch表示沟道电阻。

开关管关断时等效为小电容，电容为fF 量级，如图1（b）所示。开关管栅宽越长，导通时的等效电阻会越小，关断时的等效电容会越大。常用的开关拓扑分为串联型、串并型以及并联型开关3 种。根据开关断开时端口的输出驻波，又可分为吸收式开关和反射式开关。

串联型开关拓扑结构和串并型开关拓扑结构具有宽带宽和面积小等优点。随着频段升高，开关管寄生效应影响增大，如果采用开关管串联型或者串并型拓扑结构，那么为实现低插损，需要将串联开关管栅宽变大。但是，栅宽越大，寄生效应越强，从而导致开关导通态时输入输出驻波波形变差。同时，串联开关管栅宽越大，关断时隔离度越差，不能满足毫米波频段低插损和高隔离度的使用需求。因此，采用并联型反射式拓扑结构，芯片电路拓扑结构如图2 所示。

图2 芯片电路拓扑结构

现分析开关RF2、RF3、RF4支路关断，RF1支路导通时的情况。关断支路，此时并联开关管为导通状态，可等效为小电阻，开关管并联接地可等效为小电阻接地，近似理想接地，开关关断支路等效电路如图3 所示。导通支路，此时支路开关管处于断开状态，开关管等效为小电容（容值极小），开关管并联接地可等效为对地开路，等效电路如图4 所示。

图3 开关关断支路等效电路图

图4 开关导通支路等效电路图

其中，1/4 波长（λ/4）阻抗变换公式为

式中：Zin表示输入端阻抗；ZO表示传输线特征阻抗；ZL表示负载阻抗。

图3 中，ZL近似为0 Ω。通过式（2）可知，从源端Zin看到RF2的阻抗为无穷大，近似为断路。图4 中，COM 端口Zin和RF1端口ZL均为为50 Ω，因此当1/4 波长传输线阻抗ZO为50 Ω 时，端口和传输线匹配良好，输入输出驻波波形较好，射频信号经COM 端口流向RF1端口，插入损耗为微带线的传输损耗。

2 开关芯片的设计

设计毫米波开关芯片时，主要的难点包括较小的插入损耗、较高的开关隔离度以及较宽的工作频带。

实际应用中，隔离度和插入损耗是2 个互相制约的指标，与支路上并联开关管的个数以及开关管栅宽大小相关。并联开关管的数量与开关隔离度高低成正比，但是增加并联开关管的数量会导致开关导通支路的插损变大。通过式（2）可知，较高的隔离度要求并管栅宽较大，导通时等效电阻接近为0 Ω。但是，当开关管尺寸较大时，导通支路关断的开关管等效电容也将变大，对地阻抗将不再是无穷大，进一步导致导通支路插损变大。因此，选择合适的开关管尺寸和并联开关管数量对毫米波开关的插入损耗和隔离度指标至关重要。为满足高隔离度和低插损的指标要求，电路采用每个支路并联3 个开关管，每个开关管栅指数为3，栅宽为45 μm。

开关管采用先进化合物半导体工艺，衬底厚度为70 μm，通过计算得到频率为36 GHz，阻抗为50 Ω时的微带线宽度为47 μm，1/4 波长为731 μm。不同频率对应的1/4 波长线长度不一样，因此约束了开关电路的带宽。此外，如果每节1/4 波长线阻抗均为50 Ω，传输线宽度都为47 μm，将不利于电路版图布版。 微带线传播模式为准横电磁波模式（Transverse Electromagnetic Mode， TEM）。工作频率较高时，裸露在空气中的电磁力线变多，空间耦合变严重，尺寸较宽微带线之间易发生功率耦合，进而影响开关性能。因此，设计 1/4 波长线时，根据式（2），采用高低阻抗线替代50 Ω 微带线，既减小微带线宽度，又减小各支路之间的射频耦合，且利于芯片电路版图布版。

文章设计的开关，第一节1/4 波长线阻抗ZO1为68 Ω，第二节阻抗ZO2为84 Ω，第三节阻抗ZO3为61.7 Ω。根据式（2）计算得，50 Ω 的阻抗通过第一段阻抗变换线后ZO1变为92.5 Ω，通过第二段阻抗变换线后ZO2变为76.3 Ω，通过第三段阻抗变换线后ZO3变为50 Ω，最终实现良好的端口匹配，保证了较好的输入输出回波损耗性能。

文章介绍的开关芯片工作在毫米波频段，基于隔离度原因，在版图排版时设计相邻支路端口间距大于 1 000 μm，保证芯片在板级应用中各支路有较高的隔离度。芯片设计过程中，需考虑每条支路导通时相位和幅度的一致性。利用仿真软件搭建原理图，匹配完成后对整版电路进行电磁仿真，最终芯片尺寸为1.85 mm× 1.55 mm。

3 测试结果及分析

采用先进化合物半导体工艺线进行流片，回片后在探针台对芯片进行小信号S 参数测试，开关芯片测试曲线如图5 所示。由图5 可知，在28 ～42 GHz范围内，输入回波损耗小于-10 dB，输出回波损耗典型值小于-10 dB，插入损耗小于3.2 dB，隔离度绝对值大于38 dB。

图5 开关芯片测试曲线

4 结 论

文章采用PHEMT 工艺，研制了一款28 ～42 GHz单刀四掷开关芯片。芯片电路选用并联型反射式拓扑结构，采用高低阻抗变换线代替传统50 Ω 的1/4 波长线，从而缩小芯片尺寸，降本芯片成本。实测结果表明，在28 ～42 GHz 频带内，开关芯片输入输出回波损耗小于-10 dB，插损小于3.2 dB，隔离度大于38 dB，是目前文献报道此频段最优值，性能优异，适用于多通道收发组件。