專利名稱：射頻功率單刀雙擲開關(guān)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種基于砷化鎵(GaAs)贗配高電子遷移率晶體管(PHEMT)的射頻功率 單刀雙擲開關(guān)(SPDT)電路。屬于微波單片集成電路領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
DC-2000MHZ的微波系統(tǒng)，特別是移動通信系統(tǒng)中，功率放大器PA到天線ANT和低 噪聲放大器LNA到天線間通常需要一個功率開關(guān)SW來控制收發(fā)切換。在目前的微波通訊系 統(tǒng)中，功率開關(guān)通常有兩種形式，一種是采用分立的硅(si)材料的PIN二極管，采用混合電 路的方式完成，其特點(diǎn)是體積大，工作頻帶窄，控制電路復(fù)雜。另一種是采用砷化鎵(GaAs) 贗配高電子遷移率晶體管(PHEMT)單片開關(guān)，PHEMT開關(guān)具有體積小，應(yīng)用頻帶寬，使用方 便的特點(diǎn)，但通過的功率相對較小。隨著移動通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對系統(tǒng)的性能，頻率帶 寬，集成度，體積，成本的要求越來越高，因此PHEMT開關(guān)的應(yīng)用越來越廣泛。目前通信的商 用PHEMT開關(guān)產(chǎn)品，頻率覆蓋范圍DC-6GHZ，功率在2GHz處，P-I功率10W。隨著一些新的通 訊系統(tǒng)的研制和開發(fā)，希望功率開關(guān)可以處理大于IOW的功率，目前傳統(tǒng)的砷化鎵(GaAs) PHEMT開關(guān)單片性能上無法實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出的是一種一種基于砷化鎵(GaAs)贗配高電子遷移率晶體管(PHEMT) 的射頻功率單刀雙擲開關(guān)(SPDT)電路，其目的旨在克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述缺陷，通過 電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，增加了功率容量，在2GHz可以通過20w，滿足了系統(tǒng)的要求。本發(fā)明創(chuàng)造的技術(shù)方案其結(jié)構(gòu)是采用采用三柵PHEMT，串并拓?fù)?，對稱結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)，并聯(lián)支路通過電容隔直到地。在輸入到第1輸出的信號通道上，PHEMT管FET3、FET4串 聯(lián)連接，由控制信號Vl控制，PHEMT管FET5、FET6通過隔直電容Cl并聯(lián)到地，由控制端信 號Vr控制；在輸入到第2輸出的信號通道上，PHEMT管FET1、FET2串聯(lián)連接，由控制端信 號VI—控制PHEMT管FET7、FET8通過隔直電容C2并聯(lián)到地，由控制信號Vl控制。當(dāng)控制 信號Vl為高電位，控制端信號Vl_為低電位時，PHEMT管FET3、FET4的柵源電位近似為零電 位，PHEMT管FET3、FET4處于導(dǎo)通狀態(tài)；而PHEMT管FET5、FET6的柵源電位近似為負(fù)電位， PHEMT管FET3、FET4處于截止?fàn)顟B(tài)；同樣道理，PHEMT管FET1、FET2處于截止?fàn)顟B(tài)，PHEMT管 FET7、FET8處于導(dǎo)通狀態(tài)；因此輸入到第1輸出的信號通道上，微波信號通過，而輸入到第 2輸出的信號通道上，微波信號截止，開關(guān)電路完成信號通道的切換；當(dāng)控制信號Vl為低電位，制端信號VI—為高電位時，同樣道理，PHEMT管FET3、FET4 處于截止?fàn)顟B(tài)，PHEMT管FET5和FET6處于導(dǎo)通狀態(tài)；同時PHEMT管FET1、FET2處于導(dǎo)通狀 態(tài)，PHEMT管FET7、FET8處于截止?fàn)顟B(tài)，因此輸入到第1輸出的信號通道上，微波信號截止， 而輸入到第2輸出的信號通道上，微波信號通過，開關(guān)電路完成信號通道的切換。本發(fā)明采用2個三柵PHEMT管的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，大大提高了擊穿電壓，增大了功率容 量。目前在2GHz本發(fā)明的SPDT開關(guān)可以通過信號功率達(dá)20w。
射頻功率單刀雙擲開關(guān)(SPDT)電路砷化鎵(GaAs)射頻功率單刀雙擲開關(guān)(SPDT)單片電路采用CAD優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證 在微波頻帶(DC-2000MHZ)內(nèi)，有較小的插損和良好的駐波。本功率SPDT開關(guān)的典型參數(shù) (2GHz)插入損耗小于0. 7dB,隔離度30dB, Ρ_αι = 20腳8ν。在工藝上，采用6英寸的0.5um GaAs PHEMT單片集成電路標(biāo)準(zhǔn)工藝。首先形成 PHEMT管源漏的金屬化，完成臺面隔離，然后濕法腐蝕柵，形成柵極的金屬化，接下來進(jìn)行電 容下電極Ml金屬化，電容介質(zhì)生長，M2金屬的金屬化，介質(zhì)保護(hù)。最后是背面通孔及金屬 化工藝。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)該單片電路一方面滿足通訊系統(tǒng)大功率工作條件，保證系統(tǒng)正常 工作。另一方面具有體積小，插入損耗小，使用方便的特點(diǎn)。信號通過的功率大，SPDT開關(guān) 采用2個3柵PHEMT管的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，提高了擊穿電壓，增大了功率容量。在2GHz可以通過連 續(xù)波20w。國外的一些產(chǎn)品采用1個4柵PHEMT管的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其最大通過的連續(xù)波10w。 開關(guān)電路只需一組互補(bǔ)的控制信號(V1、V1_)，完成信號通路切換，應(yīng)用方便。


附圖1是本發(fā)明在微波通訊系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖。附圖2是本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)示意圖。附圖3是3柵PHEMT管的平面結(jié)構(gòu)示意圖。附圖4是GaAs SPDT功率開關(guān)芯片的示意圖。
具體實(shí)施例方式對照附圖1，在通信系統(tǒng)中，發(fā)射狀態(tài)時，基帶信號經(jīng)過編碼后，通過功放放大，再經(jīng)過開關(guān)后通過天線發(fā)射出去，此時開關(guān)工作狀態(tài)是IN-OUTl導(dǎo)通， IN-0UT2通道截止。接收狀態(tài)時，接收信號由天線輸入經(jīng)過開關(guān)，再由低噪放放大后進(jìn)入接 收處理單元進(jìn)行解碼等處理，此時開關(guān)工作狀態(tài)是IN-OUTl截止，IN-0UT2通道導(dǎo)通。本發(fā) 明的開關(guān)采用對稱設(shè)計(jì)，因此發(fā)射和接收的位置可以互換。對照附圖2，其結(jié)構(gòu)是采用三柵PHEMT，串并拓?fù)?，對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并聯(lián)支路通過電 容隔直到地。在輸入到第1輸出的信號通道上，PHEMT管FET3和PHEMT管FET4串聯(lián)連接， 由控制信號Vl控制，PHEMT管FET5和PHEMT管FET6通過隔直電容Cl并聯(lián)到地，由控制端 信號VI—控制；在輸入到第2輸出的信號通道上，PHEMT管FETl和PHEMT管FET2串聯(lián)連接， 由控制端信號VI—控制；PHEMT管FET7和PHEMT管FET8通過隔直電容C2并聯(lián)到地，由控制 信號Vl控制。當(dāng)控制信號Vl為高電位，控制端信號VI—為低電位時，PHEMT管FET3和PHEMT管 FET4的柵源電位近似為零電位，PHEMT管FET3和PHEMT管FET4處于導(dǎo)通狀態(tài)；而PHEMT管 FET5和FET6的柵源電位近似為負(fù)電位，PHEMT管FET3和PHEMT管FET4處于截止?fàn)顟B(tài)；同 樣道理，PHEMT管FETl和PHEMT管FET2處于截止?fàn)顟B(tài)，PHEMT管FET7和PHEMT管FET8處 于導(dǎo)通狀態(tài)；因此輸入到第1輸出的信號通道上，微波信號通過，而輸入到第2輸出的信號 通道上，微波信號截止，開關(guān)電路完成信號通道的切換；當(dāng)控制信號Vl為低電位，制端信號 ΥΓ為高電位時，同樣道理，PHEMT管FET3和PHEMT管FET4處于截止?fàn)顟B(tài)，PHEMT管FET5和
4PHEMT管FET6處于導(dǎo)通狀態(tài)；同時PHEMT管FETl和PHEMT管FET2處于導(dǎo)通狀態(tài)，PHEMT管 FET7和PHEMT管FET8處于截止?fàn)顟B(tài)，因此輸入到第1輸出的信號通道上，微波信號截止，而 輸入到第2輸出的信號通道上，微波信號通過，開關(guān)電路完成信號通道的切換。對照附圖3，PHEMT管源極1，漏極2，隔離區(qū)域3。三柵PHEMT的三個柵極4，5，6。 三個柵極的柵長為0. 5um。兩個柵極之間的距離是柵柵間距，柵極6和源極1的距離是柵源 間距，柵極4和漏極2的距離是柵漏間距。隔離區(qū)域3的長度定義為柵寬。對照附圖4，是GaAs SPDT功率開關(guān)的芯片大小及壓點(diǎn)示意圖。開關(guān)芯片 1600um*1025um，厚200um。芯片壓點(diǎn)包括輸入端(in)，輸出端1 (outl)，輸出端2 (out2)， 一對控制信號(VI，VlUik (GND)。實(shí)施例a) GaAs PHEMT 管的設(shè)計(jì)。確定GaAs PHEMT管的模型參數(shù)，包括結(jié)電容，擊穿電壓，飽和電流，導(dǎo)通電阻等參 數(shù)。根據(jù)SPDT開關(guān)的性能要求，選擇不同的PHEMT管。通常第一至第四PHEMT管FET1， FET2，F(xiàn)ET3，F(xiàn)ET4柵寬相同，第五至第八PHEMT管FET5，F(xiàn)ET6，F(xiàn)ET7，F(xiàn)ET8柵寬相同，電容Cl、 C2的容值相等。b) GaAs功率SPDT開關(guān)的設(shè)計(jì)。根據(jù)圖2的電路結(jié)構(gòu)原理，進(jìn)行微波CAD仿真，選擇PHEMT管的柵寬，調(diào)節(jié)電容的 大小，優(yōu)化開關(guān)的微波S參數(shù)，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。最后根據(jù)電路原理進(jìn)行版圖布局。c)元件參數(shù)設(shè)計(jì)。第一至第四號PHEMT管FET1，F(xiàn)ET2，F(xiàn)ET3，F(xiàn)ET4柵寬相同，柵寬4000um。源極寬 5um，漏極寬5um，柵長0. 5um，柵柵間距1. 5um，柵源間距l(xiāng)um，柵漏間距l(xiāng)um。第五至第八號PHEMT管FET5，F(xiàn)ET6，F(xiàn)ET7，F(xiàn)ET8，柵寬相同，柵寬400um。源極寬 5um，漏極寬5um，柵長0. 5um，柵柵間距1. 5um，柵源間距l(xiāng)um，柵漏間距l(xiāng)um。電容Cl、C2的容值為4pF。d)按上述要求完成電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
射頻功率單刀雙擲開關(guān)電路，其特征是射頻SPDT功率開關(guān)電路采用三柵PHEMT，串并拓?fù)?，對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并聯(lián)支路通過電容隔直到地，在輸入到第1輸出的信號通道上，第3號PHEMT管(FET3)和第四號PHEMT管(FET4)串聯(lián)連接，由控制信號(V1)控制，第五號PHEMT管(FET5)和第六號PHEMT管(FET6)通過隔直電容(C1)并聯(lián)到地，由控制端信號(V1 )控制；在輸入到第2輸出的信號通道上，第一號PHEMT管(FET1)和第二號PHEMT管(FET2)串聯(lián)連接，由控制端信號(V1 )控制；第七號PHEMT管(FET7)和第八號PHEMT管(FET8)通過隔直電容(C2)并聯(lián)到地，由控制信號(V1)控制；當(dāng)控制信號(V1)為高電位，控制端信號(V1 )為低電位時，第3號PHEMT管(FET3)和第四號PHEMT管(FET4)的柵源電位近似為零電位，第3號PHEMT管(FET3)和第四號PHEMT管(FET4)處于導(dǎo)通狀態(tài)；而第五號PHEMT管(FET5)和第六號PHEMT管(FET6)的柵源電位近似為負(fù)電位，第五號PHEMT管(FET5)和第六號PHEMT管(FET6)處于截止?fàn)顟B(tài)；同樣道理，第一號PHEMT管(FET1)和第二號PHEMT管(FET2)處于截止?fàn)顟B(tài)，第七號PHEMT管(FET7)和第八號PHEMT管(FET8)處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此輸入到第1輸出的信號通道上，微波信號通過，而輸入到第2輸出的信號通道上，微波信號截止，開關(guān)電路完成信號通道的切換；當(dāng)控制信號(V1)為低電位，制端信號(V1 )為高電位時，同樣道理，第3號PHEMT管(FET3)和第四號PHEMT管(FET4)處于截止?fàn)顟B(tài)，第五號PHEMT管(FET5)和第六號PHEMT管(FET6)處于導(dǎo)通狀態(tài)；同時第一號PHEMT管(FET1)和第二號PHEMT管(FET2)處于導(dǎo)通狀態(tài)，第七號PHEMT管(FET7)和第八號PHEMT管(FET8)處于截止?fàn)顟B(tài)，因此輸入到第1輸出的信號通道上，微波信號截止，而輸入到第2輸出的信號通道上，微波信號通過，開關(guān)電路完成信號通道的切換。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于砷化鎵(GaAs)贗配高電子遷移率晶體管(PHEMT)的射頻功率單刀雙擲開關(guān)(SPDT)電路。開關(guān)單片電路采用三柵PHEMT，串并拓?fù)洌瑢ΨQ結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。信號經(jīng)過2個三柵PHEMT串聯(lián)到輸出端，輸出端同時經(jīng)過2個三柵PHEMT串聯(lián)并通過電容并聯(lián)到地。開關(guān)只需一組互補(bǔ)的控制信號(V1、V1-)，完成SPDT開關(guān)通道切換，應(yīng)用方便。優(yōu)點(diǎn)是該開關(guān)單片電路采用三柵PHEMT，串并拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高了擊穿電壓，增大了功率容量。開關(guān)單片電路通過的插損小，隔離度高，最大可通過20w，在移動通信系統(tǒng)中應(yīng)用方便?？赏ㄟ^6英寸0.5μm GaAs PHEMT標(biāo)準(zhǔn)工藝批量生產(chǎn)，一致性好，成本低。
文檔編號H03K17/687GK101958702SQ20101025414
公開日2011年1月26日 申請日期2010年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月16日
發(fā)明者徐光 , 許正榮, 陳新宇 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所