一種毫米波超寬帶大功率高隔離度集成單刀雙擲開關(guān)的制作方法

本發(fā)明涉及半導體集成電路技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種毫米波超寬帶大功率高隔離度集成單刀雙擲開關(guān)。

背景技術(shù)：

開關(guān)常應用于射頻收發(fā)機中，放置于接收機輸入端和發(fā)射機輸出端，用于控制接收和發(fā)射狀態(tài)的切換。由于位置特殊，開關(guān)的線性度是接收機和發(fā)射機總體線性度的制約因素。發(fā)射機輸出信號功率很高，而接收機一般具有很高的靈敏度，如果開關(guān)的隔離度不夠，開關(guān)狀態(tài)切換的瞬間發(fā)射的大功率信號很容易倒灌入接收機，導致接收機損壞。因此，對于大功率收發(fā)機而言，一個具有高功率容量和高隔離度的開關(guān)極其關(guān)鍵。

在e波段，器件的分布式效應明顯，場效應管不能被視為簡單的理想元件，其源極幾何尺寸較大，會引入寄生參數(shù)。同樣的，一小段傳輸線引入的寄生電感對電路性能也產(chǎn)生很大影響。如何降低寄生參數(shù)，是設(shè)計超寬帶毫米波電路的一個巨大挑戰(zhàn)。

一般而言，pin二極管的功率容量優(yōu)于場效應管，但是pin二極管通常需要額外的直流偏置電路，消耗更多能量，同時導致較慢的開關(guān)速度。采用場效應管堆疊技術(shù)，可以提高功率容量。但是簡單的堆疊場效應管，導致芯片布局不緊湊，同時工作帶寬相對較窄。

提高隔離度的方法是減小開關(guān)在關(guān)斷狀態(tài)下的信號泄露，在信號線和場效應管之間加入四分之一波長傳輸線，減小場效應管和無源結(jié)構(gòu)之間的耦合，可以使開關(guān)隔離度提高，但是僅適用于窄帶設(shè)計。因此，需要發(fā)明一種有效減小寄生參數(shù)的結(jié)構(gòu)，使集成單刀雙擲開關(guān)在很寬的毫米波頻段兼具大功率和高隔離度性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種毫米波超寬帶大功率高隔離度集成單刀雙擲開關(guān)，能夠提高開關(guān)的工作帶寬、功率容量和隔離度。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種毫米波超寬帶大功率高隔離度集成單刀雙擲開關(guān)，包括一個功分器1和2個單刀雙擲開關(guān)2，每個單刀雙擲開關(guān)2包括6個相同的堆疊場效應管單元3；功分器1的一端作為信號輸入端，另一端分兩路連接單刀雙擲開關(guān)2，每路單刀雙擲開關(guān)1包括6個依次相連的堆疊場效應管單元3連接信號輸出端。

優(yōu)選的，堆疊場效應管3中，第一個場效應管的源極作為信號線的一部分，第二個場效應管的漏極與接地孔相連，第一個場效應管的漏極與第二個場效應管的源極通過一段較短的傳輸線相連。該結(jié)構(gòu)巧妙去除了惡化開關(guān)高頻性能的寄生電感，同時大大增加了開關(guān)的功率容量。

優(yōu)選的，單刀雙擲開關(guān)采用0.1微米砷化鎵半導體集成電路工藝實現(xiàn)，該工藝的截止頻率為135ghz，擊穿電壓為9v，可以在e波段實現(xiàn)大功率器件。

優(yōu)選的，使用四指場效應管，最小為兩指場效應管。進一步增加了功率容量，同時，緊湊型分布式結(jié)構(gòu)減小芯片尺寸和提高工作帶寬的優(yōu)勢得到更大發(fā)揮。

優(yōu)選的，堆疊場效應管單元間的傳輸線寬度與柵極寬度相等。這樣整個信號線寬度相同，沒有不連續(xù)性。同時，布版時彎曲傳輸線，進一步減小芯片尺寸。

優(yōu)選的，場效應管的柵極通過三千歐姆電阻連接到控制電壓引腳。實現(xiàn)信號與控制電壓的有效隔離，柵極沒有電流，故開關(guān)不消耗功率。

優(yōu)選的，開關(guān)芯片有兩個控制電壓的引腳，分別控制兩路信號通斷?？刂齐妷悍葹?v，-3v。

優(yōu)選的，開關(guān)每個支路都采用六個堆疊場效應管單元，單元數(shù)可以增加，也可以減少，仿真結(jié)果表明，采用六個單元時，隔離度高，插入損耗也可以接受。

本發(fā)明的有益效果為：提出的緊湊型分布式結(jié)構(gòu)，大大增加了開關(guān)的功率容量，去除了惡化開關(guān)高頻性能的寄生電感，減小了芯片的尺寸，提高了開關(guān)的工作帶寬，在毫米波段效果尤其明顯；隔離度高；對于多指場效應管，此緊湊型分布式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢可以最大發(fā)揮；無需直流偏置，不消耗能量，控制簡單。提出的緊湊型分布式堆疊場效應管單元還可以用于毫米波衰減器、移相器等，減小芯片尺寸，提高工作帶寬和功率容量，增加隔離度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的單刀雙擲開關(guān)的原理示意圖。

圖2是傳統(tǒng)分布式開關(guān)的版圖示意圖。

圖3是新的緊湊型分布式堆疊場效應管單元版圖示意圖。

圖4是傳統(tǒng)分布式開關(guān)性能隨連接傳輸線長度變化的仿真結(jié)果示意圖。

圖5是本發(fā)明的開關(guān)插入損耗和隔離度的仿真與測試結(jié)果示意圖。

圖6是本發(fā)明的開關(guān)輸入回波損耗和輸出回波損耗的仿真與測試結(jié)果示意圖。

圖7是本發(fā)明的開關(guān)在三個頻率點處輸入1db壓縮點的測試結(jié)果示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供的毫米波超寬帶大功率高隔離度集成單刀雙擲開關(guān)，采用了一種新的緊湊分布式結(jié)構(gòu)和場效應管堆疊技術(shù)，可以用較小的電路面積實現(xiàn)超寬帶，兼具大功率和高隔離度性能的毫米波集成單刀雙擲開關(guān)。

如圖1所示，本發(fā)明毫米波超寬帶大功率高隔離度集成單刀雙擲開關(guān)包括一個功分器、兩個單刀單擲開關(guān)。所述單刀單擲開關(guān)包括六個相同的堆疊場效應管單元，采用一種新的緊湊型分布式結(jié)構(gòu)相連。

如圖2所示，在傳統(tǒng)分布式開關(guān)中場效應管漏極和信號線通過傳輸線tlpar相連，傳輸線tlpar相當于寄生電感，毫米波電路對其極為敏感，導致開關(guān)在頻率高于60ghz之后插入損耗和隔離性能迅速惡化，仿真結(jié)果如圖4所示。同時每個場效應管單元間的傳輸線tlcon長度受到限制，它不能小于接地孔的寬度，通常接地孔的尺寸又很大，這使布板缺少靈活性。

圖3是組成開關(guān)的場效應管單元的版圖。不同于傳統(tǒng)分布式結(jié)構(gòu)，所述堆疊場效應管單元中第一個場效應管的源極作為信號線的一部分，而第二個場效應管的漏極與接地孔相連，第一個場效應管的漏極與第二個場效應管的源極通過一段較短的傳輸線相連。此新結(jié)構(gòu)省去了連接場效應管漏極和信號線的傳輸線tlpar，同時傳輸線tlcon的長度不再受限于接地孔尺寸，它的長度選擇有更多的靈活性。這樣減小了分布式開關(guān)的尺寸，提高了其工作帶寬。場效應管單元采用堆疊場效應管技術(shù)，使得其中每個管子承受的電壓為總電壓的一半，大大提高了開關(guān)的功率容量。

圖5是開關(guān)插入損耗與隔離度的仿真與測試結(jié)果。從圖中可以看出，在30-75ghz頻段，開關(guān)插入損耗低于3db，隔離度高于40db。在10-95ghz頻段，開關(guān)保持優(yōu)異的30db以上的隔離度。而一般場效應管開關(guān)的隔離度介于20db到30db之間，工作帶寬遠低于本發(fā)明的開關(guān)。

圖6是開關(guān)輸入回波損耗和輸出回波損耗的仿真與測試結(jié)果。從圖中可以看出，在30-110ghz頻段，開關(guān)的輸入輸出回波損耗均優(yōu)于10db，顯示良好的寬帶性能。

圖7是開關(guān)在三個頻率點處輸入1db壓縮點的測試結(jié)果。從圖中可以看出，開關(guān)的輸入1db壓縮點在31ghz處為20.2dbm，在40ghz處為17.8dbm，在45ghz處為17.3dbm。由于開關(guān)工作帶寬太大，測試時使用了兩款驅(qū)動放大器。它們分別是工作在28-31ghz輸入1db壓縮點為+35dbm的大功率功放和工作在34-46.5ghz輸入1db壓縮點為+22dbm的中等功率功放。在更高的毫米波頻段，由于缺少足夠功率的功放，所以沒有測試結(jié)果。

本發(fā)明毫米波超寬帶大功率高隔離度集成單刀雙擲開關(guān)采用砷化鎵半導體集成電路工藝實現(xiàn)。提出的緊湊型分布式堆疊場效應管單元還可以用于毫米波衰減器、移相器等，減小芯片尺寸，提高工作帶寬和功率容量，增加隔離度。

盡管本發(fā)明就優(yōu)選實施方式進行了示意和描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應當理解，只要不超出本發(fā)明的權(quán)利要求所限定的范圍，可以對本發(fā)明進行各種變化和修改。