本發(fā)明涉及半導(dǎo)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(yīng)用于射頻收發(fā)機(jī)中，放置于接收機(jī)輸入端和發(fā)射機(jī)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(jī)和發(fā)射機(jī)總體線性度的制約因素。發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)功率很高，而接收機(jī)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(hào)很容易倒灌入接收機(jī)，導(dǎo)致接收機(jī)損壞。因此，對(duì)于大功率收發(fā)機(jī)而言，一個(gè)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(yīng)明顯，場(chǎng)效應(yīng)管不能被視為簡(jiǎn)單的理想元件，其源極幾何尺寸較大，會(huì)引入寄生參數(shù)。同樣的，一小段傳輸線引入的寄生電感對(duì)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(jì)超寬帶毫米波電路的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

一般而言，pin二極管的功率容量?jī)?yōu)于場(chǎng)效應(yīng)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(shí)導(dǎo)致較慢的開關(guān)速度。采用場(chǎng)效應(yīng)管堆疊技術(shù)，可以提高功率容量。但是簡(jiǎn)單的堆疊場(chǎng)效應(yīng)管，導(dǎo)致芯片布局不緊湊，同時(shí)工作帶寬相對(duì)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(hào)泄露，在信號(hào)線和場(chǎng)效應(yīng)管之間加入四分之一波長(zhǎng)傳輸線，減小場(chǎng)效應(yīng)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(jì)。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(shí)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(gè)功分器1和2個(gè)單刀雙擲開關(guān)2，每個(gè)單刀雙擲開關(guān)2包括6個(gè)相同的堆疊場(chǎng)效應(yīng)管單元3；功分器1的一端作為信號(hào)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(gè)依次相連的堆疊場(chǎng)效應(yīng)管單元3連接信號(hào)輸出端。

優(yōu)選的，堆疊場(chǎng)效應(yīng)管3中，第一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的源極作為信號(hào)線的一部分，第二個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的漏極與接地孔相連，第一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的漏極與第二個(gè)場(chǎng)效應(yīng)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(shí)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(dǎo)體集成電路工藝實(shí)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(shí)現(xiàn)大功率器件。

優(yōu)選的，使用四指場(chǎng)效應(yīng)管，最小為兩指場(chǎng)效應(yīng)管。進(jìn)一步增加了功率容量，同時(shí)，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(shì)得到更大發(fā)揮。

優(yōu)選的，堆疊場(chǎng)效應(yīng)管單元間的傳輸線寬度與柵極寬度相等。這樣整個(gè)信號(hào)線寬度相同，沒有不連續(xù)性。同時(shí)，布版時(shí)彎曲傳輸線，進(jìn)一步減小芯片尺寸。

優(yōu)選的，場(chǎng)效應(yīng)管的柵極通過三千歐姆電阻連接到控制電壓引腳。實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(gè)控制電壓的引腳，分別控制兩路信號(hào)通斷?？刂齐妷悍葹?v，-3v。

優(yōu)選的，開關(guān)每個(gè)支路都采用六個(gè)堆疊場(chǎng)效應(yīng)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(gè)單元時(shí)，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(duì)于多指場(chǎng)效應(yīng)管，此緊湊型分布式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)可以最大發(fā)揮；無需直流偏置，不消耗能量，控制簡(jiǎn)單。提出的緊湊型分布式堆疊場(chǎng)效應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)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(zhǎng)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(cè)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(cè)試結(jié)果示意圖。

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

具體實(shí)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(chǎng)效應(yīng)管堆疊技術(shù)，可以用較小的電路面積實(shí)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(gè)功分器、兩個(gè)單刀單擲開關(guān)。所述單刀單擲開關(guān)包括六個(gè)相同的堆疊場(chǎng)效應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)管漏極和信號(hào)線通過傳輸線tlpar相連，傳輸線tlpar相當(dāng)于寄生電感，毫米波電路對(duì)其極為敏感，導(dǎo)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(shí)每個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管單元間的傳輸線tlcon長(zhǎng)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(chǎng)效應(yīng)管單元的版圖。不同于傳統(tǒng)分布式結(jié)構(gòu)，所述堆疊場(chǎng)效應(yīng)管單元中第一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的源極作為信號(hào)線的一部分，而第二個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的漏極與接地孔相連，第一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的漏極與第二個(gè)場(chǎng)效應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)管漏極和信號(hào)線的傳輸線tlpar，同時(shí)傳輸線tlcon的長(zhǎng)度不再受限于接地孔尺寸，它的長(zhǎng)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(chǎng)效應(yīng)管單元采用堆疊場(chǎng)效應(yīng)管技術(shù)，使得其中每個(gè)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(cè)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(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)的隔離度介于20db到30db之間，工作帶寬遠(yuǎn)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(cè)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(gè)頻率點(diǎn)處輸入1db壓縮點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果。從圖中可以看出，開關(guān)的輸入1db壓縮點(diǎn)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(cè)試時(shí)使用了兩款驅(qū)動(dòng)放大器。它們分別是工作在28-31ghz輸入1db壓縮點(diǎn)為+35dbm的大功率功放和工作在34-46.5ghz輸入1db壓縮點(diǎn)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(cè)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(dǎo)體集成電路工藝實(shí)現(xiàn)。提出的緊湊型分布式堆疊場(chǎng)效應(yīng)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(shí)施方式進(jìn)行了示意和描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)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(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種變化和修改。