CN101958702A

CN101958702A - 射频功率单刀双掷开关电路

Info

Publication number: CN101958702A
Application number: CN 201010254141
Authority: CN
Inventors: 许正荣; 陈新宇; 徐光�
Original assignee: CETC 55 Research Institute
Current assignee: Nanjing GEC Electonics Co., Ltd.
Priority date: 2010-08-16
Filing date: 2010-08-16
Publication date: 2011-01-26

Abstract

本发明是一种基于砷化镓(GaAs)赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)的射频功率单刀双掷开关(SPDT)电路。开关单片电路采用三栅PHEMT，串并拓扑，对称结构设计。信号经过2个三栅PHEMT串联到输出端，输出端同时经过2个三栅PHEMT串联并通过电容并联到地。开关只需一组互补的控制信号(V1、V1^-)，完成SPDT开关通道切换，应用方便。优点是：该开关单片电路采用三栅PHEMT，串并拓扑结构，提高了击穿电压，增大了功率容量。开关单片电路通过的插损小，隔离度高，最大可通过20w，在移动通信系统中应用方便。可通过6英寸0.5μm GaAs PHEMT标准工艺批量生产，一致性好，成本低。

Description

射频功率单刀双掷开关电路

技术领域

本发明是一种基于砷化镓(GaAs)赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)的射频功率单刀双掷开关(SPDT)电路。属于微波单片集成电路领域。

背景技术

DC-2000MHz的微波系统，特别是移动通信系统中，功率放大器PA到天线ANT和低噪声放大器LNA到天线间通常需要一个功率开关SW来控制收发切换。在目前的微波通讯系统中，功率开关通常有两种形式，一种是采用分立的硅(si)材料的PIN二极管，采用混合电路的方式完成，其特点是体积大，工作频带窄，控制电路复杂。另一种是采用砷化镓(GaAs)赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)单片开关，PHEMT开关具有体积小，应用频带宽，使用方便的特点，但通过的功率相对较小。随着移动通信系统的不断发展，对系统的性能，频率带宽，集成度，体积，成本的要求越来越高，因此PHEMT开关的应用越来越广泛。目前通信的商用PHEMT开关产品，频率覆盖范围DC-6GHz，功率在2GHz处，P-1功率10W。随着一些新的通讯系统的研制和开发，希望功率开关可以处理大于10W的功率，目前传统的砷化镓(GaAs)PHEMT开关单片性能上无法实现。

发明内容

本发明提出的是一种一种基于砷化镓(GaAs)赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)的射频功率单刀双掷开关(SPDT)电路，其目的旨在克服现有技术所存在的上述缺陷，通过电路结构的设计，增加了功率容量，在2GHz可以通过20w，满足了系统的要求。

本发明创造的技术方案：其结构是采用采用三栅PHEMT，串并拓扑，对称结构设计，并联支路通过电容隔直到地。在输入到第1输出的信号通道上，PHEMT管FET3、FET4串联连接，由控制信号V1控制，PHEMT管FET5、FET6通过隔直电容C1并联到地，由控制端信号V1^-控制；在输入到第2输出的信号通道上，PHEMT管FET1、FET2串联连接，由控制端信号V1^-控制PHEMT管FET7、FET8通过隔直电容C2并联到地，由控制信号V1控制。当控制信号V1为高电位，控制端信号V1^-为低电位时，PHEMT管FET3、FET4的栅源电位近似为零电位，PHEMT管FET3、FET4处于导通状态；而PHEMT管FET5、FET6的栅源电位近似为负电位，PHEMT管FET3、FET4处于截止状态；同样道理，PHEMT管FET1、FET2处于截止状态，PHEMT管FET7、FET8处于导通状态；因此输入到第1输出的信号通道上，微波信号通过，而输入到第2输出的信号通道上，微波信号截止，开关电路完成信号通道的切换；

当控制信号V1为低电位，制端信号V1^-为高电位时，同样道理，PHEMT管FET3、FET4处于截止状态，PHEMT管FET5和FET6处于导通状态；同时PHEMT管FET1、FET2处于导通状态，PHEMT管FET7、FET8处于截止状态，因此输入到第1输出的信号通道上，微波信号截止，而输入到第2输出的信号通道上，微波信号通过，开关电路完成信号通道的切换。

本发明采用2个三栅PHEMT管的串联结构，大大提高了击穿电压，增大了功率容量。目前在2GHz本发明的SPDT开关可以通过信号功率达20w。

射频功率单刀双掷开关(SPDT)电路

砷化镓(GaAs)射频功率单刀双掷开关(SPDT)单片电路采用CAD优化设计，保证在微波频带(DC-2000MHz)内，有较小的插损和良好的驻波。本功率SPDT开关的典型参数(2GHz)：插入损耗小于0.7dB，隔离度30dB，P_-0.1＝20W@8v。

在工艺上，采用6英寸的0.5um GaAs PHEMT单片集成电路标准工艺。首先形成PHEMT管源漏的金属化，完成台面隔离，然后湿法腐蚀栅，形成栅极的金属化，接下来进行电容下电极M1金属化，电容介质生长，M2金属的金属化，介质保护。最后是背面通孔及金属化工艺。

本发明的优点：该单片电路一方面满足通讯系统大功率工作条件，保证系统正常工作。另一方面具有体积小，插入损耗小，使用方便的特点。信号通过的功率大，SPDT开关采用2个3栅PHEMT管的串联结构，提高了击穿电压，增大了功率容量。在2GHz可以通过连续波20w。国外的一些产品采用1个4栅PHEMT管的串联结构，其最大通过的连续波10w。开关电路只需一组互补的控制信号(V1、V1^-)，完成信号通路切换，应用方便。

附图说明：

附图1是本发明在微波通讯系统中的应用示意图。

附图2是本发明的电路结构示意图。

附图3是3栅PHEMT管的平面结构示意图。

附图4是GaAs SPDT功率开关芯片的示意图。

具体实施方式

对照附图1，在通信系统中，发射状态时，基带信号经过编码后，通过功

放放大，再经过开关后通过天线发射出去，此时开关工作状态是IN-OUT1导通，IN-OUT2通道截止。接收状态时，接收信号由天线输入经过开关，再由低噪放放大后进入接收处理单元进行解码等处理，此时开关工作状态是IN-OUT1截止，IN-OUT2通道导通。本发明的开关采用对称设计，因此发射和接收的位置可以互换。

对照附图2，其结构是采用三栅PHEMT，串并拓扑，对称结构设计，并联支路通过电容隔直到地。在输入到第1输出的信号通道上，PHEMT管FET3和PHEMT管FET4串联连接，由控制信号V1控制，PHEMT管FET5和PHEMT管FET6通过隔直电容C1并联到地，由控制端信号V1^-控制；在输入到第2输出的信号通道上，PHEMT管FET1和PHEMT管FET2串联连接，由控制端信号V1^-控制；PHEMT管FET7和PHEMT管FET8通过隔直电容C2并联到地，由控制信号V1控制。

当控制信号V1为高电位，控制端信号V1^-为低电位时，PHEMT管FET3和PHEMT管FET4的栅源电位近似为零电位，PHEMT管FET3和PHEMT管FET4处于导通状态；而PHEMT管FET5和FET6的栅源电位近似为负电位，PHEMT管FET3和PHEMT管FET4处于截止状态；同样道理，PHEMT管FET1和PHEMT管FET2处于截止状态，PHEMT管FET7和PHEMT管FET8处于导通状态；因此输入到第1输出的信号通道上，微波信号通过，而输入到第2输出的信号通道上，微波信号截止，开关电路完成信号通道的切换；当控制信号V1为低电位，制端信号V1^-为高电位时，同样道理，PHEMT管FET3和PHEMT管FET4处于截止状态，PHEMT管FET5和PHEMT管FET6处于导通状态；同时PHEMT管FET1和PHEMT管FET2处于导通状态，PHEMT管FET7和PHEMT管FET8处于截止状态，因此输入到第1输出的信号通道上，微波信号截止，而输入到第2输出的信号通道上，微波信号通过，开关电路完成信号通道的切换。

对照附图3，PHEMT管源极1，漏极2，隔离区域3。三栅PHEMT的三个栅极4，5，6。三个栅极的栅长为0.5um。两个栅极之间的距离是栅栅间距，栅极6和源极1的距离是栅源间距，栅极4和漏极2的距离是栅漏间距。隔离区域3的长度定义为栅宽。

对照附图4，是GaAs SPDT功率开关的芯片大小及压点示意图。开关芯片1600um*1025um，厚200um。芯片压点包括：输入端(in)，输出端1(out1)，输出端2(out2)，一对控制信号(V1，V1-)，地(GND)。

实施例：

a)GaAs PHEMT管的设计。

确定GaAs PHEMT管的模型参数，包括结电容，击穿电压，饱和电流，导通电阻等参数。根据SPDT开关的性能要求，选择不同的PHEMT管。通常第一至第四PHEMT管FET1，FET2，FET3，FET4栅宽相同，第五至第八PHEMT管FET5，FET6，FET7，FET8栅宽相同，电容C1、C2的容值相等。

b)GaAs功率SPDT开关的设计。

根据图2的电路结构原理，进行微波CAD仿真，选择PHEMT管的栅宽，调节电容的大小，优化开关的微波S参数，以达到设计要求。最后根据电路原理进行版图布局。

c)元件参数设计。

第一至第四号PHEMT管FET1，FET2，FET3，FET4栅宽相同，栅宽4000um。源极宽5um，漏极宽5um，栅长0.5um，栅栅间距1.5um，栅源间距1um，栅漏间距1um。

第五至第八号PHEMT管FET5，FET6，FET7，FET8，栅宽相同，栅宽400um。源极宽5um，漏极宽5um，栅长0.5um，栅栅间距1.5um，栅源间距1um，栅漏间距1um。

电容C1、C2的容值为4pF。

d)按上述要求完成电路拓扑结构。

Claims

1.射频功率单刀双掷开关电路，其特征是射频SPDT功率开关电路采用三栅PHEMT，串并拓扑，对称结构设计，并联支路通过电容隔直到地，在输入到第1输出的信号通道上，第3号PHEMT管(FET3)和第四号PHEMT管(FET4)串联连接，由控制信号(V1)控制，第五号PHEMT管(FET5)和第六号PHEMT管(FET6)通过隔直电容(C1)并联到地，由控制端信号(V1^-)控制；在输入到第2输出的信号通道上，第一号PHEMT管(FET1)和第二号PHEMT管(FET2)串联连接，由控制端信号(V1^-)控制；第七号PHEMT管(FET7)和第八号PHEMT管(FET8)通过隔直电容(C2)并联到地，由控制信号(V1)控制；当控制信号(V1)为高电位，控制端信号(V1^-)为低电位时，第3号PHEMT管(FET3)和第四号PHEMT管(FET4)的栅源电位近似为零电位，第3号PHEMT管(FET3)和第四号PHEMT管(FET4)处于导通状态；而第五号PHEMT管(FET5)和第六号PHEMT管(FET6)的栅源电位近似为负电位，第五号PHEMT管(FET5)和第六号PHEMT管(FET6)处于截止状态；同样道理，第一号PHEMT管(FET1)和第二号PHEMT管(FET2)处于截止状态，第七号PHEMT管(FET7)和第八号PHEMT管(FET8)处于导通状态。因此输入到第1输出的信号通道上，微波信号通过，而输入到第2输出的信号通道上，微波信号截止，开关电路完成信号通道的切换；当控制信号(V1)为低电位，制端信号(V1^-)为高电位时，同样道理，第3号PHEMT管(FET3)和第四号PHEMT管(FET4)处于截止状态，第五号PHEMT管(FET5)和第六号PHEMT管(FET6)处于导通状态；同时第一号PHEMT管(FET1)和第二号PHEMT管(FET2)处于导通状态，第七号PHEMT管(FET7)和第八号PHEMT管(FET8)处于截止状态，因此输入到第1输出的信号通道上，微波信号截止，而输入到第2输出的信号通道上，微波信号通过，开关电路完成信号通道的切换。