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摘 要：文章提出了一種超宽带射频开关拓扑结构，利用该拓扑结构，设计了一款基于氮化镓单片工艺的超宽带（17～35 GHz）双刀双掷功率开关芯片，同一芯片上集成了射频收发切换开关和极化开关。在片测试结果显示，该芯片在整个频段内的插入损耗典型值为2.5 dB，隔离度典型值为27 dB。装配测试表明该芯片的输入P0.1 dB为40 dBm，具有较高的耐功率能力。芯片尺寸仅为3×2.5 mm2。该功率开关芯片可广泛应用于多功能雷达射频组件中，用于发射/接收的切换和极化方向的选择。
关键词：超宽带;射频开关;双刀双掷;插损;耐功率能力
中图分类号：TM564 文献标识码：A 文章编号：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
随着多功能有源相控阵雷达系统的发展，其核心部件单片微波集成电路（MMIC）得到了广泛和深入的研究[1]。为了实现更宽的频带，更小的尺寸，更轻的重量，更高的功率以及更低的成本，单片微波集成电路及其系统在工艺材料和设计架构上都得到了较大的改进。近十几年来发展的氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）与其相应的单片电路工艺为多功能雷达提供了新的高集成解决方案。氮化镓晶体管具有高电流密度、高击穿电压以及低导通电阻等优点，非常适合射频微波功率放大器和功率开关电路的制作[2]。
在雷达收发组件中常用一个单刀双掷的功率开关来实现发射和接收的切换，称之为收发开关。低插损、宽频带、高耐受功率和较快的切换时间是收发开关的主要指标。常用的有 PIN开关、GaAs FET开关、MEMS开关以及氮化镓HEMT开关[3]。PIN开关具有插损低，耐功率高的优点，但是PIN开关正常工作时需要一个额外的、较大的偏置电流，增加了系统功耗和复杂度，限制了其应用范围。GaAs FET开关插损低，切换时间快，然而GaAs器件本身的击穿电压较低，无法应用在耐受功率超过2 W的场景。MEMS开关最显著的优点是极低的插损（～0.2 dB），但是切换时间非常缓慢（～10 μs），难以应用于需要快速切换的射频收发组件。氮化镓HEMT器件电流密度大（～0.6 A/mm），击穿电压高（～80 V），导通电阻低（～2 Ω·mm），切换时间快（～50 ns），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。
除了用一个单刀双掷开关实现收发切换外，多功能雷达的射频组件还经常使用另外一个单刀双掷开关实现发射和接收的双极化，称之为极化开关。极化的目的在于，获得被测地物像元的极化散射矩阵，进而将目标散射的能量特性、相位特性和极化特性统一起来，相对完整地描述雷达目标的电磁散射特性。极化开关一般位于收发开关和天线之间，其主要指标和收发开关的指标一致。典型的射频前端模块如图1所示。
针对多功能雷达新架构的迫切需求，提出了一种超宽带的功率开关设计方法，即多枝节两串一并的拓扑匹配方式，利用该方法和拓扑结构设计了一款17～35 GHz超宽带开关芯片，同时覆盖雷达和通信常用的17～20 GHz和30～35 GHz频段，芯片集成了两个单刀双掷开关，通过串联方式构成了一个双刀双掷开关，如图1所示，采用一体化设计和优化，该双刀双掷开关芯片总的插损指标要优于两个分立的单刀双掷开关芯片插损之和。同时其面积也远小于两个单刀双掷芯片面积之和，不仅减小了微波组件的尺寸，还大幅度降低了芯片成本。为超宽带新型多功能雷达的研制提供了坚实的芯片基础。
1 宽带单刀双掷开关设计方法 该开关采用负电控制，即-28 V/0 V为控制电压。为了实现宽带匹配，每个射频支路采用了两个并联的HEMT器件和一个串联HEMT器件，如图2所示。开关HEMT器件在关态下可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，等效为几欧姆的电阻。图2所示的电路在Port1到Port2之间为射频导通状态，Port1到Port3之间为射频关断态，其小信号等效电路如图3所示，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，提高了端口间的隔离度，同时串并结构可进一步提升隔离。多支节的两并一串匹配结构能大幅度提升匹配带宽，在本设计中，利用该拓扑结构，绝对带宽达到17～35 GHz，覆盖了通信和雷达常用的17～20 GHz和30～35 GHz频段，相对带宽达到92.3%。
2 开关耐功率的设计考虑
在50欧姆系统中，氮化镓HEMT开关管在开态下的耐受功率能力取决于能流过器件的最大电流，即器件的最大电流值，接近该最大电流值时产生压缩，一旦超过该值，器件会烧毁;在关态下的耐受功率取决于栅极和漏极之间以及栅极与源极之间能够达到的最大电压摆幅，既不发生击穿，也不产生压缩，其表达式分别为[4]：
（1）
Poff=min[（VBD-Vg）2/25，（Vg-Vp）2/25] （2）
其中，Pon是器件处于开态下的耐功率能力，Poff是器件处于关态下的耐功率能力，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。
在本文的设计中，单个开关射频支路采用两并一串的拓扑结构，仿真表明当输入功率为40 dBm时，并联器件上的最大电压摆幅为30 V，低于器件发生击穿或者压缩时的摆幅大小;同时串联器件上经过的电流摆幅为400 mA，串联器件的总栅宽为1.2 mm，该工艺的器件最大电流值为600 mA/mm，因此可供流经的最大电流为720 mA，远高于400 mA，从而在设计上保证了串联器件避免压缩或烧毁。
3 双刀双掷开关一体化优化设计
一般而言，收发切换开关和极化开关分别独立设计，将两个单独的芯片各自匹配至50欧姆后再通过键和丝级联，这样引入了额外的插入损耗。典型的宽带开关插损约为2 dB，如果采用分立单刀双掷芯片，加上键合丝引入的插入损耗0.2 dB，那么总的插损为4.2 dB，发射效率低至一半以下，噪声系数直接增加4.2 dB，这种性能恶化是雷达组件系统难以接受的，影响到整个雷达系统的射频性能以及散热管理。本文创造性地将两个单刀单掷开关集成在同一个芯片上，构成一个双刀双掷开关，只需要输入输出端口匹配至50欧姆，通过一体化设计优化，中间级联端口無须匹配至50欧姆，就能够达到整体最优的性能，示意图如图4所示。通过仿真计算表明，通过级联优化，总的插入损耗能达到仅2.5 dB的水平（典型值），且能保证优异的隔离度性能。
4 栅极电阻的影响及设计考虑
开关电路中，开关HEMT器件栅极上需要一个较大的电阻用作隔离，抑制通过栅极电容泄露的射频能量[5]。栅极电阻的大小直接影响到GaN HEMT的插入损耗和耐功率能力。如果栅电阻过小，一方面，射频信号会泄露至栅极控制端，导致射频主路上的插损恶化，另一方面，栅电阻过小，导致分布在栅漏和栅源上的射频电压幅度不等，造成了提前压缩或者击穿，影响耐功率能力。为了观察这种影响，在仿真上选择了一个10×60 μm的HEMT器件，仿真计算了栅极电阻大小对插入损耗和耐功率能力的具体影响，如图5所示，虚线是栅极电阻为1 kΩ的功率压缩曲线，实线是栅极电阻为10 kΩ的功率压缩曲线，结果显示栅极电阻越大，插入损耗越小，耐受功率越大。但是当电阻值超过一定值后，性能难以有进一步的改善，其原因在于10 kΩ左右的电阻值已经能起到足够的射频隔离作用。如果进一步增加电阻，不仅不能带来射频性能的提升，相反地，会导致开关切换速度的恶化，原因在于栅极切换时间正比于栅极电阻和栅极电容的乘积，即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。基于这两方面的折中考虑，本文设计的双刀双掷开关的栅极电阻取值10 kΩ。就仿真而言，该阻值下，插损最优，开关切换时间仿真为30 ns，没有超过典型的指标要求（50 ns），切换速度快。
5 仿真与实测结果对比
采用上文述的设计方法，并考虑到各个设计要点，本文设计并流片了一款17～35 GHz的双刀双掷开关芯片，同时集成了射频收发切换开关和极化开关，可广泛应用于超宽带或多频段多功能雷达组件中，其栅极控制电压为-28 V/0 V。仿真数据显示，17～ 20 GHz频段的典型插入损耗为2 dB，隔离度为30 dB，30～35 GHz频段内的典型插损值为2.5 dB，
隔离度典型值为20 dB，如图6和图7的虚线所示。采用氮化镓HEMT单片工艺流片后，经过在片测试，结果表明17～
20 GHz频段内插损和隔离度的典型值为1.5 dB和28 dB，30～35 GHz频段的插损和隔离端典型值为3 dB和20 dB，如图6和图7的实线所示。经过装配后，进行耐功率能力的测试，结果表明在18 GHz，该开关的输入P0.1 dB值为40 dBm，其压缩特性曲线如图8所示。芯片尺寸紧凑，仅为3×2.5 mm2，适用于新型高集成雷达组件解决方案。
6 结 论
本文针对高集成多功能雷达前端应用，提出了一种超宽带双刀双掷氮化镓功率开关芯片的设计方法，利用该方法，设计并流片了一款频率范围为17～35 GHz同时覆盖多个频段的功率开关芯片，功能集成度高，芯片尺寸小，尺寸仅为3×2.5 mm2，测试结果表明，17～20频段的插损和隔离度分别为2.2 dB和27 dB，30～35 GHz频段的插损和隔离度分别为2.7 dB和30 dB。装配后的耐功率测试表明输入P0.1 dB为40 dBm。
参考文献：
[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] 郝跃.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.
[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;双刀双掷;插损;耐功率能力
中图分类号：TM564 文献标识码：A 文章编号：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
随着多功能有源相控阵雷达系统的发展，其核心部件单片微波集成电路（MMIC）得到了广泛和深入的研究[1]。为了实现更宽的频带，更小的尺寸，更轻的重量，更高的功率以及更低的成本，单片微波集成电路及其系统在工艺材料和设计架构上都得到了较大的改进。近十几年来发展的氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）与其相应的单片电路工艺为多功能雷达提供了新的高集成解决方案。氮化镓晶体管具有高电流密度、高击穿电压以及低导通电阻等优点，非常适合射频微波功率放大器和功率开关电路的制作[2]。
在雷达收发组件中常用一个单刀双掷的功率开关来实现发射和接收的切换，称之为收发开关。低插损、宽频带、高耐受功率和较快的切换时间是收发开关的主要指标。常用的有 PIN开关、GaAs FET开关、MEMS开关以及氮化镓HEMT开关[3]。PIN开关具有插损低，耐功率高的优点，但是PIN开关正常工作时需要一个额外的、较大的偏置电流，增加了系统功耗和复杂度，限制了其应用范围。GaAs FET开关插损低，切换时间快，然而GaAs器件本身的击穿电压较低，无法应用在耐受功率超过2 W的场景。MEMS开关最显著的优点是极低的插损（～0.2 dB），但是切换时间非常缓慢（～10 μs），难以应用于需要快速切换的射频收发组件。氮化镓HEMT器件电流密度大（～0.6 A/mm），击穿电压高（～80 V），导通电阻低（～2 Ω·mm），切换时间快（～50 ns），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。
除了用一个单刀双掷开关实现收发切换外，多功能雷达的射频组件还经常使用另外一个单刀双掷开关实现发射和接收的双极化，称之为极化开关。极化的目的在于，获得被测地物像元的极化散射矩阵，进而将目标散射的能量特性、相位特性和极化特性统一起来，相对完整地描述雷达目标的电磁散射特性。极化开关一般位于收发开关和天线之间，其主要指标和收发开关的指标一致。典型的射频前端模块如图1所示。
针对多功能雷达新架构的迫切需求，提出了一种超宽带的功率开关设计方法，即多枝节两串一并的拓扑匹配方式，利用该方法和拓扑结构设计了一款17～35 GHz超宽带开关芯片，同时覆盖雷达和通信常用的17～20 GHz和30～35 GHz频段，芯片集成了两个单刀双掷开关，通过串联方式构成了一个双刀双掷开关，如图1所示，采用一体化设计和优化，该双刀双掷开关芯片总的插损指标要优于两个分立的单刀双掷开关芯片插损之和。同时其面积也远小于两个单刀双掷芯片面积之和，不仅减小了微波组件的尺寸，还大幅度降低了芯片成本。为超宽带新型多功能雷达的研制提供了坚实的芯片基础。
1 宽带单刀双掷开关设计方法 该开关采用负电控制，即-28 V/0 V为控制电压。为了实现宽带匹配，每个射频支路采用了两个并联的HEMT器件和一个串联HEMT器件，如图2所示。开关HEMT器件在关态下可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，等效为几欧姆的电阻。图2所示的电路在Port1到Port2之间为射频导通状态，Port1到Port3之间为射频关断态，其小信号等效电路如图3所示，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，提高了端口间的隔离度，同时串并结构可进一步提升隔离。多支节的两并一串匹配结构能大幅度提升匹配带宽，在本设计中，利用该拓扑结构，绝对带宽达到17～35 GHz，覆盖了通信和雷达常用的17～20 GHz和30～35 GHz频段，相对带宽达到92.3%。
2 开关耐功率的设计考虑
在50欧姆系统中，氮化镓HEMT开关管在开态下的耐受功率能力取决于能流过器件的最大电流，即器件的最大电流值，接近该最大电流值时产生压缩，一旦超过该值，器件会烧毁;在关态下的耐受功率取决于栅极和漏极之间以及栅极与源极之间能够达到的最大电压摆幅，既不发生击穿，也不产生压缩，其表达式分别为[4]：
（1）
Poff=min[（VBD-Vg）2/25，（Vg-Vp）2/25] （2）
其中，Pon是器件处于开态下的耐功率能力，Poff是器件处于关态下的耐功率能力，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。
在本文的设计中，单个开关射频支路采用两并一串的拓扑结构，仿真表明当输入功率为40 dBm时，并联器件上的最大电压摆幅为30 V，低于器件发生击穿或者压缩时的摆幅大小;同时串联器件上经过的电流摆幅为400 mA，串联器件的总栅宽为1.2 mm，该工艺的器件最大电流值为600 mA/mm，因此可供流经的最大电流为720 mA，远高于400 mA，从而在设计上保证了串联器件避免压缩或烧毁。
3 双刀双掷开关一体化优化设计
一般而言，收发切换开关和极化开关分别独立设计，将两个单独的芯片各自匹配至50欧姆后再通过键和丝级联，这样引入了额外的插入损耗。典型的宽带开关插损约为2 dB，如果采用分立单刀双掷芯片，加上键合丝引入的插入损耗0.2 dB，那么总的插损为4.2 dB，发射效率低至一半以下，噪声系数直接增加4.2 dB，这种性能恶化是雷达组件系统难以接受的，影响到整个雷达系统的射频性能以及散热管理。本文创造性地将两个单刀单掷开关集成在同一个芯片上，构成一个双刀双掷开关，只需要输入输出端口匹配至50欧姆，通过一体化设计优化，中间级联端口無须匹配至50欧姆，就能够达到整体最优的性能，示意图如图4所示。通过仿真计算表明，通过级联优化，总的插入损耗能达到仅2.5 dB的水平（典型值），且能保证优异的隔离度性能。
4 栅极电阻的影响及设计考虑
开关电路中，开关HEMT器件栅极上需要一个较大的电阻用作隔离，抑制通过栅极电容泄露的射频能量[5]。栅极电阻的大小直接影响到GaN HEMT的插入损耗和耐功率能力。如果栅电阻过小，一方面，射频信号会泄露至栅极控制端，导致射频主路上的插损恶化，另一方面，栅电阻过小，导致分布在栅漏和栅源上的射频电压幅度不等，造成了提前压缩或者击穿，影响耐功率能力。为了观察这种影响，在仿真上选择了一个10×60 μm的HEMT器件，仿真计算了栅极电阻大小对插入损耗和耐功率能力的具体影响，如图5所示，虚线是栅极电阻为1 kΩ的功率压缩曲线，实线是栅极电阻为10 kΩ的功率压缩曲线，结果显示栅极电阻越大，插入损耗越小，耐受功率越大。但是当电阻值超过一定值后，性能难以有进一步的改善，其原因在于10 kΩ左右的电阻值已经能起到足够的射频隔离作用。如果进一步增加电阻，不仅不能带来射频性能的提升，相反地，会导致开关切换速度的恶化，原因在于栅极切换时间正比于栅极电阻和栅极电容的乘积，即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。基于这两方面的折中考虑，本文设计的双刀双掷开关的栅极电阻取值10 kΩ。就仿真而言，该阻值下，插损最优，开关切换时间仿真为30 ns，没有超过典型的指标要求（50 ns），切换速度快。
5 仿真与实测结果对比
采用上文述的设计方法，并考虑到各个设计要点，本文设计并流片了一款17～35 GHz的双刀双掷开关芯片，同时集成了射频收发切换开关和极化开关，可广泛应用于超宽带或多频段多功能雷达组件中，其栅极控制电压为-28 V/0 V。仿真数据显示，17～ 20 GHz频段的典型插入损耗为2 dB，隔离度为30 dB，30～35 GHz频段内的典型插损值为2.5 dB，
隔离度典型值为20 dB，如图6和图7的虚线所示。采用氮化镓HEMT单片工艺流片后，经过在片测试，结果表明17～
20 GHz频段内插损和隔离度的典型值为1.5 dB和28 dB，30～35 GHz频段的插损和隔离端典型值为3 dB和20 dB，如图6和图7的实线所示。经过装配后，进行耐功率能力的测试，结果表明在18 GHz，该开关的输入P0.1 dB值为40 dBm，其压缩特性曲线如图8所示。芯片尺寸紧凑，仅为3×2.5 mm2，适用于新型高集成雷达组件解决方案。
6 结 论
本文针对高集成多功能雷达前端应用，提出了一种超宽带双刀双掷氮化镓功率开关芯片的设计方法，利用该方法，设计并流片了一款频率范围为17～35 GHz同时覆盖多个频段的功率开关芯片，功能集成度高，芯片尺寸小，尺寸仅为3×2.5 mm2，测试结果表明，17～20频段的插损和隔离度分别为2.2 dB和27 dB，30～35 GHz频段的插损和隔离度分别为2.7 dB和30 dB。装配后的耐功率测试表明输入P0.1 dB为40 dBm。
参考文献：
[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] 郝跃.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.
[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。