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基于GaAs PIN研制宽带大功率单片单刀双掷开关

发布时间:2020-02-14 责任编辑:lina

【导读】PIN 二极管广泛应用于限幅器、开关、衰减器、移相器等控制电路中。与 MESFET 和 PHEMT 器件相比较,PIN 二极管具有插入损耗低、截止频率高、功率容量大的特点,特别适合于制作性能优异的宽带大功率控制电路。
    
PIN 二极管广泛应用于限幅器、开关、衰减器、移相器等控制电路中。与 MESFET 和 PHEMT 器件相比较,PIN 二极管具有插入损耗低、截止频率高、功率容量大的特点,特别适合于制作性能优异的宽带大功率控制电路。文献[1]就是采用 GaAs PIN 二极管制作了一款宽带大功率单刀双掷开关,但由于是混合集成电路形式,导致开关模块体积较大。
 
本文采用河北半导体研究所 GaAs PIN 工艺成功开发出一款宽带大功率单片单刀双掷开关。该单片开关集成了 GaAs PIN 二极管、电容、电感和电阻元件。在 6~18 GHz 范围内插入损耗(IL)小于 1.45 dB,隔离度大于 28 dB;在连续波输入功率 37 dBm,12 GHz 条件下测试输出功率仅压缩 0.5 dB。由于采用单片制作工艺,在具有大功率处理能力的情况下又大大缩减了电路面积。
 
1 PIN 二极管制作工艺
本论文的 PIN 二极管采用垂直结构。为使 PIN 二极管具有较好的微波特性,在进行材料外延生长时控制 p+层、n+层的掺杂浓度大于 2.5×1018,降低金属一半导体欧姆接触电阻;i 层的厚度为 3 μm,载流子浓度接近 3×1014,使二极管的 i 层耗尽电容和功率容量达到一个最佳平衡点。图 1 为最终制作的 GaAs PIN 二极管结构图(a)和实物照片(b)。
 
基于GaAs PIN研制宽带大功率单片单刀双掷开关
 
2 单刀双掷开关电路设计
精确的模型是设计电路的基础。如图 2 所示,GaAs PIN 二极管在正压偏置状态下等效为电阻 Rp,负压偏置状态下等效为电容 Cr 和电阻 Rn 串联。其中 Rp≈Rn,是 p+层、n+层和 i 层正向导通电阻之和,Cr 为 i 层反向偏置电容。在进行单片开关电路设计前先进行一次 PIN 二极管模型版流片。二极管分为串联和并联两大类,每类尺寸由小到大共有 15 种。通过在片测量提取每种二极管正、反两个偏置状态的 S 参数,建立了完整的 PIN 二极管小信号模型。
 
基于GaAs PIN研制宽带大功率单片单刀双掷开关
 
单刀双掷开关通常有串联式、串并联混合式、并联式三种结构。其中前两种结构中的串联 PIN 二极管会使开关电路在小功率状态下就开始压缩,要想制作大功率开关只能采用并联式结构。图 3 是并联式单刀双掷开关原理图。输入端口接一 50 Ω微带线,C1 是隔直电容,防止两个输出支路的偏置电压互相干扰;根据公式 Zc=1/jωC,为了减小导通状态下的插入损耗,C1 应具有很大的容值。偏置电压端口加负压,二极管 D1 处于反向偏置状态,等效为一小电容,D1、微带线 L1 和 L2 组成带通滤波器,整个支路处于导通状态;偏置电压端口加正压,D1 处于正向偏置状态,等效为一小电阻,D1、微带线 L1 和 L2 组成的带通滤波器处于失配状态,把大部分输入功率反射回去,整个支路处于隔离状态。电感 L、电容 C2 和微带线 L3 组成输出匹配电路。整个开关电路采用 AdvancedDesign System 软件、原理图仿真与电磁场仿真相结合的方法进行设计。
 
基于GaAs PIN研制宽带大功率单片单刀双掷开关
 
3 小信号与功率特性测试
图 4 为经过加工后的芯片照片,芯片面积为 2.3 mm×1.4 mm。图 5 为微波在片测试系统框图。在±5 V 条件下,经过微波在片小信号测试,该单刀双掷开关在 6~18 GHz 内尼<1.45 dB,隔离度(ISO)大于 28 dB,输入输出驻波在 6~14 GHZ 内大于 10 dB,在 14~18 GHz 内大于 7.5 dB。图 6 为小信号测试曲线。
 
基于GaAs PIN研制宽带大功率单片单刀双掷开关
 
开关的微波功率特性需要把芯片装入夹具中进行测试。图 7 为装配完成的开关被测件。图 8 为功率测试平台框图,信号源提供的连续波信号经过行波管放大器放大加在开关的输入端口,隔离器防止放大器被开关反射回来的功率烧毁,开关的输出端口接衰减器,用来保护功率计探头,通过功率计可以得出开关的功率特性。图 9 为 12 GHz 条件下功率特性测试曲线,可见在 37 dBm 出功率仅压缩 0.5 dB。
 
基于GaAs PIN研制宽带大功率单片单刀双掷开关
 
4 结论
本文报道的宽带大功率单片单刀双掷开关芯片是在河北半导体研究所工艺流片完成的。在±5 V 条件下、6~18 GHz 内测试插入损耗小于 1.45 dB,隔离度大于 28 dB,反射损耗大于 7.5 dB,12 GHz 频点测试 P1dB 大于 5 W。在 4 英寸(100 mm)的晶圆上开关成品率达到 70%以上,具有非常好的工程应用前景。
 
 
 
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