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硕士论文 一种新型g s m d c s 双频段l t c c 天线开关模块的研究与设计 摘要 目前以手机为代表的移动通信终端正逐步向小型化、多频段、多功能、多制式以 及低成本的方向发展，而且日趋激烈的竞争也对研发时间和研发成本提出了越来越苛 刻的要求。l t c c 模块技术被认为是解决射频通信电路集成度不断提高的最佳方案，是 目前的研究热点和重点。正是在这种形势下，本文对g s m d c s 双频段l t c c 天线开 关模块进行了研究与设计，以突破美欧日对此关键技术的垄断。 本文首先阐述了单片、分立微波固态控制器件模型的建立方法，分析了各种微波 开关电路拓扑的性能差异，并对最终电路进行了版图设计。采用文中获得的控制器件 模型、微波开关电路拓扑以及相关电路优化技术所设计的p h e m t 单刀双掷单片微波 开关，在超宽频带上有着很好的幅度与相位特性。介绍并设计了一种基于分立p i n 管 的具有特殊结构的单刀双掷分立微波开关，它的偏置电路不仅简单、巧妙，还具有译 码功能。 然后论述了l t c c 低通高通带通滤波器以及双工器的设计方法，提出了多种设计 方案，并讨论了根据传统网络综合法导出l t c c 三维电路结构的设计方法。根据此方 法设计并实现的一款l t c c 蓝牙带通滤波器，有着良好的带内插损和带外衰减特性， 测试结果与仿真结果有着很好的吻合度，而且该滤波器的尺寸是目前所知的使用如此 低介电常数的蓝牙滤波器中体积最小的。 最后通过将单刀双掷微波开关与l t c c 滤波器、双工器整合，提出了一款g s m 仍c s 双频段l t c c 天线开关模块的设计方案，其性能满足相关技术规范，是一种可行的设 计电路。 关键词：天线开关模块( a s m ) ，微波单片集成电路( m m i c ) ，微波开关，滤波器， 双工器，低温共烧陶瓷( l t c c ) a b s 仃a c t 硕j 二论文 a b s t r a c t 1 1 1 ed e v e l o p m e n tt r e n do fm o b i l et e r m i n a l s ，s u c ha sc e l lp h o n e ，w a sm i n i a t u r i z a t i o n , m u l t i b a n d ，m u t i f u n c t i o n ，m u l t i m o d ea n dl o wm a n u f a c t u r i n gc o s t ，a n dt h e r ew a s m o r ea n d m o r eg r e a td e m a n df o rl e s sr & dt i m ea n dr & df e e l t c cm o d u l et e c h n i q u ew a s c o n s i d e r e da st h eb e s ts o l u t i o nt ot h ei n t e g r a t i o no fr fc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t s ，a n db e c a m e ah o ti s s u eo fr e s e a r c h u n d e rt h i sk i n do fc o n d i t i o n t h eg s m d c sd u a lb a n dl t c ca n t e n n a s w i t c hm o d u l e ( a s m ) w a ss t u d i e da n dd e v e l o p e di nt h i sp a p e r , t ob r e a kt h em o n o p o l yo ft h e a m e r i c a n ，e u r o p e a na n dj a p a n e s ee n t e r p r i s e s f i r s to fa 1 1 t h em e t h o dt oe s t a b l i s ht h em o d e lo fm i c r o w a v es o l i dc o n t r o ld e v i c ew a s i n t r o d u c e d ，t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nd i f f e r e n tm i c r o w a v es w i t c hc i r c u i t sw a ss t u d i e da n dt h e f i n a l1 a y o u tw a sm a d e t h ed e v e l o p e dp h e m ts p d tm i c r o w a v em o n o l i t h i cs w i t c hh a da g o o dp e r f o r m a n c eo fm a g n i t u d ea n dp h a s ec h a r a c t e r i s t i ci nu l t r aw i d eb a n d ，w h i c hw a s d e s i g n e dw i t ht h ec o n t r o ld e v i c em o d e l ，t h es w i t c ht o p o l o g ya n dt h ec i r c u i to p t i m i z a t i o n t e c h n i q u e si n t h i sp a p e r t h ep i ns p d t m i c r o w a v es w i t c hd e v e l o p e di nt h i sp a p e rt o o kt h e a d v a n t a g ea tt h ee a s yb i a sc i r c u i t s ，w h i c hh a dt h ec o d i n gf u n c t i o n t h e n ，t h em e t h o dt od e s i g nl t c cl p f h p f b p ff i l t e r sa n dd i p l e x e r sw a sc o v e r e d a f e ws o l u t i o n sw e r ed e v e l o p e d ，a n dt h em e t h o dh o wt og e tt h el t c c3 dc i r c u i t sw i t h t r a d i t i o n a ln e t w o r ks y n t h e s i z a t i o nm e t h o dm s m ) w a si n t r o d u c e d ab l u e t o o t h t ml t c c b a n dp a s sf i l t e rw a sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e da n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t aa g r e ev e r yw e l l w i t ht h e3 ds i m u l a t i o n a sw ek n o w n t h i sf i l t e rw a st h es m a l l e s to n eo fw h a tw e r e d e s i g n e dw i t hs u c hl o wd i e l e c t r i cc a p a c i t a n c ei nb l u e t o o t h t mb a n d i nt h ee n d as o l u t i o nt og s m d c sd u a lb a n dl t c ca n t e n n as w i t c hm o d u l ew a s d e v e l o p e dw i t ht h ei n t e g r a t i o no fs p d t m i c r o w a v es w i t c h e sa n dl t c cf i l t e r sa n dd i p l e x e r s a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c sw e r eg o o de n o u g ht oi m p l e m e n t k e yw o r d ：a n t e n n as w i t c hm o d u l e ( a s m ) ，m i c r o w a v em o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ( m m i c ) ，m i c r o w a v es w i t c h ，f i l t e r , d i p l e x e r , l o wt e m p e r a t u r ec o - f i r e dc e r a m i c ( l t c c ) 硕士论文 一种新型g s m d c s 双频段l t c c 天线开关模块的研究与设计 图表目录 图1 1 1手机射频前端集成途径1 图1 1 ，2 新日本无线天线开关模块n j g l 6 3 4 l k 5 2 图2 1 1开关时间概念示意图5 图2 2 】p h e m t 器件结构剖图7 图2 2 2p h e m t 的直流特性7 图2 2 3p i n 二极管直流特性8 图2 2 4p h e m t 开关等效电路模型1 】 图2 2 5p h e m ts 参数测试电路1 1 图2 2 6p h e m t 器件模型特性与测试曲线对比，1 3 图2 2 7p h e m t 器件模型误差1 4 图2 2 8p h e m t 简化的开关等效电路模型1 5 图2 2 9p h e m t 器件简化模型特性与测试曲线对比。1 6 图2 2 1 0p h e m t 器件模型误差1 7 图2 2 1 1实际p i n 管的正反向等效电路。1 8 图2 3 1单刀单掷单管丌关电路1 9 图2 3 ，2 单刀单掷多管开关电路2 0 图2 3 3单刀单掷多管串并混联开关电路2 1 图2 3 4 各种开关结构插入损耗、隔离度对比2 2 图2 4 1p h e m ts p d t 微波开关电路2 3 图2 4 2p h e m ts p d t 微波开关的输入输出特性2 4 图2 4 3p h e m ts p d t 微波开关电路版图2 4 图2 5 1常见的p i n 二极管s p d t 微波开关电路2 5 图2 5 2p i n 二极管微波开关的偏置电路2 5 图2 5 ，3 p i ns p d t 微波开关常见电路的输入输出特性2 6 图2 5 4 一种特殊的p i n 二极管s p d t 微波开关电路2 7 图2 5 5 特殊的p i ns p d t 微波开关电路的输入输出特性2 8 图2 5 6 p i ns p d t 微波丌关特殊电路的输入输出特性2 9 图3 1 1l t c c 工艺流程图3 0 图3 2 1 低通原型滤波器的电路支路3 1 图3 2 2 低通原型滤波器的梯形电路3 1 图3 2 3 低通滤波器的衰减频率特性一3 2 图3 2 4c h e b y s h e v 低通原型滤波器的衰减频率响应，3 3 图3 2 5 低通滤波器拓扑结构3 4 图3 2 6 低通滤波器优化得到的传输反射特性3 4 图3 2 7l t c c 低通滤波器电路结构3 5 v 图表目录硕1 j 论文 图3 2 8 图3 2 9 图3 2 1 0 图3 2 11 图3 2 12 图3 2 】3 图3 2 1 4 图3 2 1 5 图3 2 1 6 图3 2 17 图3 2 18 图3 2 1 9 图3 2 2 0 图3 2 2 1 图3 3 1 图3 3 2 图3 3 - 3 图3 3 4 图3 3 5 图3 3 6 图4 1 1 图4 1 2 图4 2 1 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 表2 1 1 表2 2 1 表2 2 2 表2 2 3 表2 2 4 表2 3 1 表3 2 1 低通原型响应及其对应的高通滤波器响应3 5 低通原型滤波器与相应高通滤波器元件的对应关系3 6 高通滤波器的电路支路3 6 高通滤波器拓扑结构3 7 高通滤波器优化得到的传输反射特性3 7 l t c c 高通滤波器电路结构3 7 低通原型响应及其相应的带通滤波器响应一3 8 低通原型滤波器与相应带通滤波器元件的对应关系一3 9 带通滤波器的电路 一3 9 集总型l c 带通滤波器电路4 0 集总型l c 带通滤波器传输、反射特性4 0 l t c c 工艺中的电路版图4 1 制成的l t c c 带通滤波器一4 2 3 de m 仿真结果与成品测试结果对比4 2 g s m 9 0 0 d c s l 8 0 0 双工器的集总实现方式原理图4 3 理想双工器的衰减频率响应4 4 低通、高通滤波器的特性指标4 4 集总型双工器电路4 5 集总型双工器传输反射特性4 6 l t c c 高通滤波器电路结构4 6 天线开关模块原理框图一4 7 天线开关模块原理框图二4 7 集总型天线丌关模块电路4 8 g s m 接q 女d c s 发射传输反射特性4 9 g s m 发射d c s 接收传输反射特性5 0 g s m 接q k d c s 接收传输反射特性5 0 l t c c 天线丌关模块在h f s s 中的电路模型51 常见的几种微波丌关性r j 匕x , t 比一6 微波同态器件三种模型的对比一9 等效电路模型的建立方法1 0 导通状态下，不i 司栅宽所对应的模型参数1 4 关断状态下，不同栅宽所对应的模型参数1 4 三种开关电路插入衰减和隔离度的比较2 1 常见滤波器响应性能对比3 2 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：型鱼章汤力释妇斗 硕士论文 一种新型g s m d c s 双频段l t c c 天线开关模块的研究与设计 1 绪论 i i 天线开关模块概述及研究意义 传统g s m 手机终端的硬件平台包括射频和基带两大部分。其中，射频部分的基本 作用是将来自手机基带部分的i q 调制信号搬移到射频频段，或从接收到的射频信号 中解调出i q 调制信号，从而为终端和蜂窝小区基站之间提供物理层的无线连接。典 型的射频子系统包括四个功能模块：前端、接收机、频率合成器和发射机。 随着移动通信向3 g 时代的演进，手机终端向多模、多频、多功能、多制式以及小 型化发展成为必然趋势。由于市场、成本的驱动，人们尽最大可能提高终端的集成度， 同时，为了进一步压缩研发到市场的时间以及研发成本，广泛采用平台化解决方案， 使得研发设计流程化。基带单芯片解决方案早己成功推入市场，而且随着c m o s 工艺 的发展，2 g 3 g 单片多模多频射频收发机已成为可能，射频前端越来越成为系统集成 度迸一步提高的瓶颈。目前有多种不同途径可以实现手机射频系统的集成，主要的几 种途径如图1 1 1 所示。 天线开关模块 表面声波滤波器 体面卢波滤波器 射频收发器 天线开关模块 功率放人器模块 天线开关模块 表面体声波滤波器 射频收发器 天线开关模块 表面体声波滤波器 功率放大器模块 天线开关模块 表面体声波滤波器 射频收发器 功率放火器模块 图1 1 1 手机射频前端集成途径 从图中可以看出，一个集成途径是采用射频前端模块( f r o n t e n dm o d u l e ，f e m ) ， 它集成了天线丌关模块( a n t e n n as w i t c hm o d u l e ，a s m ) 和接收端的声表面波( s u r f a c e a c o u s t i cw a v e ，s a w ) 带通滤波器。a s m 和s a w 滤波器供应商是f e m 产品的主要 推动者。无源元件通过低温共烧陶瓷( l o wt e m p e r a t u r ec o f i r e dc e r a m i c ，l t c c ) 技 术集成，而a s m 有源电路则通常由p i n 型二极管组成。f e m 不仅节省了设计时间， 还减少了元件数量。其中，a s m 又集成了多( 双) 工器、微波丌关、发射端用于抑制 发送信号的高次谐波的低通滤波器。例如：新日本无线推出的n j g l 6 3 4 l k 5 ，由 s p 6 t ( s i n g l ep o l es i xt h r o w ) 开关和控制用逻辑电路、2 个信号发送用低通滤波器( g s m 9 0 0 m h z 和d c s1 8 0 0 m h z 频段各一个) 构成，其模块照片如图112 所示。另一个集 成途径将一个a s m 和功放模块( p o w e r a m p l i f i e r m o d u l e ，p a m ) 集成在一起，这种方 法倍受p a m 供应商推崇。这些模块使用砷化镓( g a a s ) 赝品型高电子迁移晶体管 ( p h e m t ) 技术实现a s m ，使用g a a s 异质结构双极晶体管( h b t ) 技术实现p a m ， 无源元件的集成直接在g a a s 晶圆上实现。 图1 12 新日本无线天线开黄模块n j g l 6 3 4 l k 5 如何进一步提高前端的集成度呢? 显然，一种途径是实现a s m 与s a w b a w 滤 波器和r f 收发器的集成；另一种途径是实现a s m 与s a w b a w 滤波器和p a m 的集 成。近r s t m i c r o e l e c t r o n i c s n v 公司发布的三频段射频模块，它集成了r f 收发器、 b a w 滤波器和a s m ，这可以说是射频元件集成的一个新的里程碑。无论哪种途径， 集成的最终结果都会产生一种整合所有元件的完整射频模块。 由此町见，a s m 是实现射频元件集成的基础。在国外，尤其是r 本，早在1 9 9 9 年就已经有了天线丌关模块研制成功的报道，而且在2 0 0 5 年就已经实现了较大规模的 商用。而在国内，虽然有诸多的l t c c 工艺线但由于工艺条件差、电路设计水平低 等原因，日酣仍旧停留在滤波器、双工器、巴伦等无源器件的生产和研制；而对射频 模块集成仍旧存在于研制阶段。本文立足于电路设计与工艺设计相对简单的天线开关 模块，进行较为细致全面的研究，希望能够打丌一个技术突破口，作为l t c c 射频模 块更商程度集成的技术积累。 1 2l t c c 技术及其应用 半导体集成电路自5 0 年代出现以来，发展十分迅猛，但其主要优势在于有源器件 却一直难于实现高精度或大功率的无源器件。为弥补它的不足，随即出现了混合集成 电路。混合集成技术实际上是膜集成技术和半导体集成技术的“混合”，是在半导体集 成的基础上进行的二次集成。但传统的厚薄膜混合集成电路却凶枷线层数有跟，且通 常只能做含有膜状屯阻的互连布线基板，从而需要装进封装外壳通过外壳上的玻璃绝 缘子引线与外部接口，这限制了它在同益复杂的更高密度封装中的应用。高温共烧陶 瓷( h i g h t e m p e r a t u r e c o - f i r e d c e r a m i c ，h t c c ) 技术虽可实现布线基板和封装的一体化， 硕上论文 一种新型g s m d c s 双频段l t c c 天线开关模块的研究与设计 却不得不采用电阻率高且表面需要电镀的钨、钼等难熔金属，这不仅增大了损耗，还 增加了工艺的复杂性，而且还原性烧结气氛也限制了可以共烧的膜的种类。八十年代， 受厚膜丝网印刷技术和有机多层层压印刷技术的启发，l t c c 技术应运而生。l t c c 与 传统的厚膜工艺不同，它不是靠在熟瓷板上顺序地印刷、烘干和烧结各功能层浆料来 制造电路基板，而是像有机多层印刷电路板那样，对所有各层生瓷带进行平行加工， 包括冲孔、填孔、印刷和烘干，然后，将它们精密地叠合、层压，并在排胶后按特定 的烧成曲线在8 0 0 - 9 0 0 下进行烧结，形成三维的高密度的集成基板【lj 。 l t c c 具有高密度三维互连布线、一体化集成封装和无源元件集成等三大功能。由 于l t c c 优异的性能，它已被成功地用于集成电路封装、多芯片模块( m u l t i c h i pm o d u l e ， m c m ) 、微电子机械系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) ，以及各种片电 感、片电容、片式变压器、片式天线的制造。应用领域涉及移动通信、汽车电子、医 疗电子、航空航天和军事电子。 1 3 论文主要内容及安排 g s m d c s 双频段l t c c 天线开关模块由双工器、单刀双掷微波开关以及低通滤波 器等三部分组成。 本文首先对微波开关及相关固态控制器件进行了总结和综述，并对微波开关设计 中固态控制器件模型建立、电路拓扑选择等关键技术进行了分析。微波开关既可以采 用单片集成电路实现，也可以采用混合集成电路实现。本文采用p h e m t 工艺，利用 本文建立的等效电路模型，通过多种电路优化技术，得到了在超宽频带内均有着良好 幅度与相位特性的单片微波开关；还利用分立的p i n 二极管设计了一款拥有简单直流 偏置电路的微波开关。 然后，讨论了如何在l t c c 工艺中设计滤波器、双工器。本文采用经典网络综合 法与三维电磁仿真相结合的方法，设计并实现了一款蓝牙带通滤波器，该滤波器符合 蓝牙标准的各项技术指标。 最后，基于l t c c 工艺，通过将上述微波开关与滤波器、双工器整合，提出了一 款g s m d c s 双频段天线开关模块的可行设计方案。 2 微波开关 硕 j 论文 2 微波开关 开关在微波、卫星通信、相控阵雷达、地面无线通信及测量系统中都有着广泛的 应用。不同应用对开关的性能要求也不一样，包括插入损耗、隔离度、直流功率消耗、 功率处理能力、寿命等，因此应根据不同应用选用不同类型和性能的开关【2 1 。在通信领 域中，微波开关经历了从同轴线型或波导型机械式开关到由p i n 二极管和场效应管作 为固态有源开关器件的半导体开关，再到射频微电机械开关的漫长发展历程。目前通 常使用的是机械开关和半导体开关，随着m e m s 技术的发展，r fm e m s 丌关会大量 应用在通信领域。 2 1 微波开关基础 2 1 1 微波开关的主要技术指标 微波开关在时域频域中的主要技术指标包括：插入损耗、隔离度、输入输出驻波 比、功率容量以及开关时间等【3 1 。下面对各技术指标详述如下： ( 1 ) 插入损耗和隔离度 微波开关的插入损耗定义如下： 儿：墨( 2 1 ) 最 式中，只表示信号源所产生的最大资用功率，即信号源与负载匹配时所产生的功 率；r 表示当微波开关存在负载时所得到的实际功率。 微波开关的隔离度定义为微波丌关断路时的插入损耗。 假设微波开关网络用散射参量s 来表征，且假设开关置于匹配信号源和匹配负载 之i b j ，根据散射参量的定义有 陔1 2 = 钆。2 号 他2 ， 因此，插入损耗与隔离度还可以用散射参量表示为 肚齑 q 3 l 是。1 2 i l d b = 1 0 1 9 l l = 一2 0 l g i s 2 i i ( 2 4 ) ( 2 ) 输入输出驻波比 v s w r ：圳 ( 2 5 ) 25= 掣( ) 1 一h l ( 3 ) 功率容量 功率容量是指丌关所能承受的最大微波功率。 4 硕： ：论文 一种新型g s m d c s 双频段l t c c 天线开关模块的研究与设计 ( 4 )开关时l 司 开关时间是指开关从断开到闭合状态以及从闭合到断开状态所需的时间。它等于 开启时间与关断时间之和【4 1 。图2 1 1 说明了开关时间的各个组成部分，及其所代表的 物理意义。 假设屹为控制电压，l 为信号通路电流。通常将导通延迟时间( 白d 1 ，即圪对开 关电容充电的时间，1 0 v 。到1 0 ，基本不变) 与上升时间( 0 ，从1 0 i , 到9 0 z , 的时间) 之和称为开启时间，代表开关从关断状态过渡到导通状态所需要的时间，用 表示。 将退饱和时间( 白d 阡l ，9 0 v 。到9 0 z , ) 与下降时间( 0 ，从9 0 i , 到1 0 i , 的 时间) 之和称为关断时间，代表开关从导通状态过渡到关断状态所需要的时间，用t o r t 表示。 ： t d 岭n 1t r t a ( o r r ) t d t o n2 t a ( o n ) + i o f f2 t a ( o f r ) + 0 图2 1 1开关时间概念示意图 总的来讲，微波开关对各技术指标的基本要求是：开关导通状态下的插入损耗小， 电压驻波比小；开关关断状态下的隔离度高；开关时间短；工作频带足够宽；功率容 量满足要求。 2 1 2 微波开关的种类 常见的微波开关包括铁氧体开关、固态开关和m e m s 开关等【5 1 。表1 1 表明了这 几种开关的性能差异。 虽然m e m s 开关有着很好的发展势头，但其在开关阈值电压、共振频率和丌关次 数等方面的固有缺陷，都阻碍了其实用化和普及进程。目前可提供m e m s 工艺产线的 厂家少，可选择性不大，这也限制了现阶段中m e m s 开关的应用。从表中可以看出， 在功率容量要求不是特别高的情况下，完全采用固态微波开关，尤其是m m i c 开关已 经成为必然的趋势。 2 微波开关硕j j 论文 表2 1 1常见的几种微波开关性能对比 时态开关 m e m s 开关铁氧体开关 h m i c m m i c 活动部件有无无无 驱动电压高高低低 主要元器什 m e m s 环行器p i n 管 m e s f e t h e m t 热噪声源无无有有 体积很小很大大 很小 一一 可靠性较高低同向 开关速度较慢慢快 快 损耗低低高高 一一 隔离呙局低低 上艺成熟度有待发展很成熟较成熟成熟 价格昂贵 便宜较贵较贵 工作环境要求纯净无无无 2 2 微波固态控制器件 2 2 1 器件基础 2 2 1 1 微波固态控制器件的工艺发展概述 虽然早在1 9 2 5 年至1 9 2 6 年期间美国的j e l i l i e n f e l d 就已经提出静电场对导电固 体中电流影响的基本概念，但由于当时工艺水平所限，第一个j f e t 于1 9 5 5 年才在b e l l 实验室诞生。1 9 6 6 年，美国的c a m e a d 提出了肖特基势垒栅场效应晶体管m e s f e t ， 它的工作原理与j f e t 相似，只不过用金属与半导体间的肖特基接触势垒代替j f e t 中 的p n 结势垒。其突出特点是整个晶体管的固有结构中不含p n 结和绝缘层，因而可以 采用电子迁移率很高、但制造p n 结和绝缘层工艺尚不很成熟的半导体材料( 如砷化镓、 磷化铟等) ，能够得到工作频率很高的器件；另外制造工艺也比较简单。在上个世纪7 0 年代后期，g a a s 单晶及外延技术获得突破，使g a a sm e s f e t 得以成功制成【6 】。 进入2 0 世纪9 0 年代后，由于m o c v d ( 金属有机化学气相淀积) 和m b e ( 分子 束外延技术) 的发展，以及化合物材料和异质结工艺的日趋成熟，三端微波器件取得 令人瞩目的成就，使得m e s f e t 、h b t 以及h e m t 结构的各种器件性能逐年提高，与 此同时，在此基础上构成的m m i c 已实用化，并进人商品化阶段，使用频率基本覆盖 整个微波波段，不仅能获得大功率、高效率而且噪声系数小。 2 2 1 2h e m t 的物理结构及特性 h e m t 是由肖特基结砷化镓场效应管发展而来的，它属于异质结m e s f e t ，在半 绝缘g a a s 衬底上生长一层未掺杂的g a a s ，再生长一层n a 1 g a a s ，形成异质结，然后 在a i g a a s 上分别制作肖特基结和欧姆接触，引出源、栅、漏三个电极。如果在g a a s 衬底上，形成i n g a a s a 1 g a a s 异质结，利用i n g a a s 沟道取代上述的g a a s 沟道层，二 维电子气浓度n 。大于2 1 0 1 2 c m 2 ，则这种器件称为赝晶型h e m t ( p s e u d o m o r p h i ch e m t , 6 硕士论文一种新型g s m d c s 双频段l t c c 天线开关模块的研究与设计 p - h e m t ) ，其结构如图2 2 1 所示【刀，它具有稳定的低温特性。 栅极 图2 2 1p h e m t 器件结构剖图 以晶圆代工厂商w i n 的g a a s 工艺线为例，栅指数为8 ，单指栅宽1 0 0 1 t m 的耗尽 型( d m o d e ) p h e m t 器件的直流特性如图2 2 2 所示。近年来随着微波单片集成电路 的发展，场效应器件工作频率的提高，工艺的改进，用f e t 制作各种控制电路已经越 来越普遍。用f e t 作微波开关的主要优点是简化偏置网络，驱动电路功耗小，且具有 宽带特性和大的功率容量，并能提供亚毫微妙的开关速度。f e t 开关是三端口器件， 由栅压v 控制开关状态，典型开关特性是负偏压时( 1 k i i i ，栅偏压大于截止电压) ， 对应高阻状态；零栅压时对应低阻抗状态，都处于器件的线性工作区。不论器件导通 和截止哪种状态，均不需直流偏置功率，因此可归入无源器件类。 v d s ( v ) 图2 2 2p h e m t 的直流特性 影响晶体管开关时间的因素包括晶体管的结电容、极间电容和晶体管的特征频率 石等。栅极的驱动速度在很大程度上决定了p h e m t 器件的开关速度，另外还与输出 负载大小有关。负载对开关速度的影响主要是因p h e m t 的容性所致。为提高p h e m t 器件的驱动速度，要求驱动电路：能够提供足够大的驱动电流，即驱动电路的充电电 7 2 微波开关硕士论文 阻要充分小，以缩短导通时间；具有足够的泄流能力，即放电电阻要充分小，以提高 其关断速度；有适当的驱动电源电压，若驱动电源电压取得低，可缩短超电量时间， 但太低了，会使漏源压降增大，引起管子功耗增大。 2 2 1 3p i n 二极管的物理结构及特性 理想的p i n 二极管是在两个重掺杂p + 和n + 半导体之间夹一层未掺杂的本征层( 即 i 层) ，形成理想的p i n 结。实际上由于材料和工艺上的原因，不可能得到纯粹的本征 层。考虑i 层掺有少许n 型杂质的情形，此时称为p i ( y ) n 管。 v g ( v ) 图2 2 3p i n 二极管直流特性 p i n 管直流特性如图2 2 3 所示，它与外加偏压有关。p i “) n 管在零偏压时，i 层 和p + 层交界的两侧形成p n 结，其空间电荷层的宽度较宽，且基本上取决于i ( y ) 层内 空间电荷宽度。p i n 管呈现高阻。如果在p i n 管两端加反向电压，则空间电荷层范围 扩大，反向电流很小。此时p i n 管阻抗比零偏时更大。当整个i 区都变为耗尽区时( 称 为“穿通状态”) ，阻抗将近似不变。p i n 管两端加j 下向偏压时，p + 区空穴和n + 区电子 分别向i ( y ) 区注入，由于i 层本身载流子浓度极低，因此，靠注入的空穴和电子相互提 供复合的载流子。由于载流子寿命相当长，即空穴和电子的平均扩散距离远比i 层厚 度大，因此，可以认为空穴和电子在i 层内近似均匀分布。又因为满足电中性条件， 故空穴密度近似与电子密度相等，并且远大于本征载流子浓度，i 层形成了“等离子” 区。当； l - t a f 偏电压超过势垒电压后，i 层的导电率开始随载流子浓度的增加而增大， 并与j 下向偏流成f 比。从而，p i n 管阻值，其值主要由1 0 ) 层的正向电阻决定，与p i n 管正向偏流成反比。 由以上讨论，可给出p i n 管静态伏安特性。从表面上看似乎与p n 结类似，但在 微波信号作用下，二者却呈现不同的特性。这是因为微波信号周期( n s 级) 远小于载流子 寿命( g s 级) ，故可以认为在微波信号的整个周期内，i 层的总积累电荷基本上由偏流 决定，因此p i n 管微波电阻同样仅受控于偏置电流，而与微波信号幅度大小无关。从 而，p i n 管不具有一般二极管的单向导电性和整流效应。因此，可以利用小功率直流 硕士论文 一种新型g s m d c s 双频段l t c c 天线开关模块的研究1 j 设计 改变p i n 管在微波电路中的阻抗，以控制微波信号功率。 2 2 2 器件模型 2 2 2 1 微波固态器件模型理论 微波固态器件有三种不同层次的模型 8 1 ，由低到高分别是：物理模型、等效电路模 型以及黑盒( 行为) 模型。三种模型之间有着密切的联系，理论上，从其中任何一种 模型都可以精确或近似得到其它两种模型。表2 2 对三种模型进行比较全面的对比。 表2 2 1 微波同态器件三种模型的对比 物理模型等效电路模型黑盒( 行为) 模型 结构参数、尺寸等效电路拓扑、等效电路 模型内容二端口网络参数 参数( 工艺) 中元件参数 模型参数获得实验测量理论分析和或实验测量实验测量 模型复杂，计算需要首先进行测量，对测幅值和相位均随直流工作状 缺点 量火量精度依赖很大态、工作频率和环境温而变 存在部分非线性电阻，其 直流偏置与偏置无关在各偏置条件下分别测量 参数与偏置有关 大信号与信号幅度无 存在部分非线性电阻电 大信号的二端口网络参数 关 容，其参数与偏置有关 小信号 电路中全部是线性元件 传统的二端口网络参数 利用器件的物理模型 9 ，1 0 】虽然可以根据器件的结构和工艺参数直接获得器件的端 特性，而无须对器件进行测量，因此具有最佳的预测性；但由于结构参数及尺寸参数 很难准确获得，而且它会消耗很多的计算机时间，这使得模型的精度和应用受到了限 制。而黑盒模型却过分依赖试验测量。 微波固态器件与其他电子元件组合，构成功能不同的各类电路。为了分析这些电 路，必须把微波固态器件表示成由某些电路元件组成的简单电路模型。这些电路元件 可以是无源电子元件，也可以是受控电流源或受控电压源。尽管这类等效电路只能近 似地反映这类微波固态器件的外部电特性，但在分析和设计电子电路时有着十分重要 的作用。随着集成电路和计算机辅助分析与设计方法的迅速发展，建立更加合理的微 波固态器件的电路模型，越来越重要。 通常，按信号幅度的大小，可将固态电子器件等效电路分为两类：小信号等效电 路和大信号等效电路。在交流小信号下工作的晶体管，可以用线性元件组成的有源两 端口网络来表示。小信号等效电路模型的建立方法有三种：完全经验法、半经验半理 论法以及完全理论法】，表2 3 对等效电路模型的三种建立方法进行了对比。 等效电路只是意味着该电路的终端特性与被表达器件的外特性是等效的，而不管 器件内部的实际物理过程如何。尽管如此，一有某种外特性表现出来，必然存在着与 之相关的内部物理过程。集总参量物理等效电路法就是基于这种认识的。其要点为， 分析器件中实际存在的各种物理过程，把这些过程用集总的电路元件表示出来，然后 根据各物理过程之间的关系把这些电路元件适当地联结起来，构成器件的等效电路。 9 2 微波开关 硕r l 二论文 这种处理方法是唯象的，其优点是物理图象清晰、概念清楚、过程往往比较简单；缺 点是精确度较低。 表2 2 2 等效电路模型的建立方法 等效电路模型 窨令绎验法 半经验半理论法完全理论法 集总参量物理等效电路集总参量物理 等效电路拓扑根据网络参数建立 法等效电路法 根据黑盒( 行为) 模型根据黑盒( 行为) 模型基丁物理模型 等效电路中元件参数 的端特性实验数据拟合的端特性实验数据拟合推算 参数与频率关系有关无关无关 用半经验半理论方法来建立微波固态器件等效电路模型是目前最为流行的手段。 模型参数的提取是通过优化过程实现的，即通过改变模型参数的数值使得由模型计算 出的s 参数与矢网测量的s 参数在指定频段内达到一致。优化效果主要取决于优化参 数的初值及其可变范围、优化方法等。因为等效电路模型的精度不必比反映生产一致 性的器件工艺变动更大，所以，在满足一定测试精度要求条件的前提下，它有足够的 精度来预测固态器件在各种工作状态、任何工作频段的直流、微波端特性。而且，它 操作方便；但必须要求以精准的实验测试数据为前提和基础。 微波固态控制器件的模型不仅遵循上述的一些共同原则，另外还有一些特殊的地 方需要注意。微波固态控制器件有导通和关断两种工作状态，它们都可以用无源一端 口网络等效，从而可以用网络电阻、网络电导、网络反射参数及驻波比反映器件的输 入输出特性。任何微波固念控制器件都可以用一个阻抗为z 或导纳为y 的无源器件来 等效，其中 z = r + j x ( 2 6 ) 】，= g + j b ( 2 7 ) 利用半经验半理论法和完全经验法分别建立等效电路模型，二者的关系可以通过 经典电路理论导出。 对于微波固态控制器件来说，一般均采用小信号等效电路进行分析。但实际上， 器件特性对信号幅值而言均呈现一定的非线性。为了分析它们的非线性特性，比如交 调失真( i n t e r m o d u l a t i o nd i s t o r t i o n ，i m d ) 等，必须引入其大信号模型1 2 】。 2 2 2 2h e m t 的模型 本课题采用w p d 5 0 0 1p h e m t 工艺，故需要首先获得固态控制器件的准确模 型。下面以总栅宽1 0 2 5 m m ( 单掷栅宽1 2 5 i - t m ，栅指数为8 ) 的p h e m t 器件为例，介 绍固态控制器件开关模型的建立方法。作为开关器件使用时，单栅p h e m t 管的小信 号等效电路模型如图2 2 4 所示【m 15 1 。图中c p ，和c p d 为源、漏对地并联等效电容，主 要是压点对地电容效应，在g a a sp h e m t 丌关建模中考虑键合压点电容是非常重要的， 这一点不同于有源p h e m t 建模。 1 0 硕上论文种新型g s m d c s 双频段l