N174+单片微波开关技术及研究进展

1、单片微波开关技术及研究进展刘斐珂 文光俊 庞宏 金海炎 严中电子科技大学通信与信息工程学院RFIC研究室，成都 610054，liufeike摘要：本文在介绍了场效应晶体管微波开关的工作原理及其单片微波集成电路实现技术的基础上，全面综述了单片微波开关技术的研究进展、微波开关芯片在带宽、插入损耗、隔离度、速度、功率处理容量等性能方面的最新技术水平，总结了微波开关芯片的设计方法及关键技术，展望了单片微波开关技术的发展趋势。关键词：场效应晶体管；微波开关；单片微波集成电路；单端单掷开关；单端多掷开关MMIC Switch Technology Developments and ProspectsFe

2、ike Liu, Guangjun Wen, Hong Pang, Haiyan Jin and Zhong YanRFIC Laboratory, School of Communication and Information EngineeringUniversity of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054Abstract： In this paper, the recent scientific advances of microwave switches implemented by monolithi

3、c microwave integrated circuit (MMIC) technique all over the world are systemically reviewed after introducing the operating principle of FET-based microwave switches and their MMIC implementation approaches, the state-of-the-art performances of MMIC switch bandwidth, inserting loss, isolation, swit

4、ching time and power handling capability are presented. MMIC switch design methodologies and key techniques of MMIC switches are summarized, the prospects of MMIC switch technology is anticipated, some suggestion to developed future MMIC switch is presented in the paper.Keywords：Field Effect Transis

5、tor, Microwave switches; MMIC; Single-pole-single-throw switch; Single-pole-multi-throw switch121前言自上世纪七十年代至今，在高端卫星通信系统到低端广播系统，军用雷达系统到民用个人通信系统等各种射频/微波/毫米波应用领域中，固态微波开关都是不可缺少的关键器件。固态微波开关体积小、用途多，起着信号连接、切换的重要作用。最早的微波开关采用机电结构实现，随着固态无源和有源器件制造工艺技术的发展和成熟，高性能高速度的固态微波开关逐渐至全面代替了机电式微波开关。第一个固态PIN二极管微波开关诞生于1965年，

6、与传统机电微波开关相比，基于PIN二极管的微波开关显著地增强了开关的微波性能，降低了开关的体积，提高了开关的速度。采用混合微波集成电路技术较易实现PIN二极管微波开关，使其广泛应用于通信、雷达等电子系统中。PIN二极管能提供更快的开关速度，能处理较大功率的射频/微波信号。但PIN二极管偏置在开状态时要求很高的前向电流，在关状态时需要加载很大的反向直流偏置电压，实现的微波开关的性能极度依赖于PIN二极管本身的微波特性，使其实际应用领域受到限制。在上世纪八十年代，场效应晶体管（Field Effect Transistor -FET）技术的成熟及FET微波开关的面世，FET逐步取代了PIN二极管成

7、为主流的开关器件，特别是在低、中等功率应用领域。与PIN二极管微波开关相比，以GaAs FET为基础的微波开关具有简化的偏置网络，几乎可以忽略的直流功耗，简单的驱动电路，超高速的开关速度等固有优点。基于FET的微波开关易于与其他功能微波电路单片集成，从而在一个几平方毫米的芯片上实现更多的功能。2微波开关工作原理 1978年Gaspari等人从微波晶体管作为放大器元件有着极其优秀的特性出发，开创性地提出使用单栅FET作为开关元件的设想1，成为FET微波开关设计的先驱。图1 FET不同偏置电压下的两种工作状态及其等效电路模型随着栅极偏置电压不同，FET表现出不同工作状态，这是FET用作开关元件的基

8、础。当FET栅极偏置于0V时，漏源沟道导通，信号较易通过，等效模型可以用漏极-源极之间的低阻抗电阻Ron来表示，称为低阻状态。虽然FET中存在其他寄生参数，但对射频微波信号不会有显著影响，特别是用大阻值栅极电阻隔离栅极偏置电路后。当FET栅极偏置低于夹断电压时，漏源沟道夹断，信号不易通过，称为高阻状态，完整等效模型包括极大的漏源电阻Rds，漏极、栅极、源极间等效电容Csd、Cgs、Cgd，与Cgs和Cgd串联的寄生电阻Rgs和Rgd，与Csd串联的寄生电阻Rs和Rd。完整等效模型较为复杂，在并不牺牲准确度的情况下可使用由Roff和Coff串联等效的简化模型，Roff和Coff值可以由小信号模型

9、计算。图2 FET开关基础结构：串联结构和并联结构及其开关状态等效电路模型Gaspari等人提出了几种FET开关拓扑结构，包括串联连接、并联连接、增益连接、串联-串联连接和串联-增益连接等五种方式。其中串联连接、并联连接成为FET开关基础拓扑结构，如图2所示。在串联结构中，FET栅极加零偏置，FET表现为低阻抗电阻，信号可以通过，开关在“通”状态；栅极加负偏置，FET表现为电容，信号无法通过，开关在“断”状态。并联结构控制方式与串连结构相反，加零偏置电压FET沟道导通，信号导地，开关关断；加负偏置电压FET沟道闭合，信号通过传输线进入负载，开关导通。串联连接和并联连接是FET开关最基本的结构，

10、通过两者组合构成多级开关（如串联-并联二级开关）可以获得更好的开关性能。Gaspari等人研制出的GaAs FET开关采用了混合集成电路技术，有着极快开关速度（1 ns），消耗很小驱动控制功率（10 mW），在500 MHz带宽范围内开关隔离度达到50 dB，插入损耗为7 dB。单片微波集成电路（MMIC）技术的成熟与应用，为单片微波开关的实现奠定了基础。FET MMIC微波开关具有尺寸小、可靠性高、批量生产优势，现已广泛应用在射频/微波通信、雷达系统中。1980年McLevige等人研制出第一块GaAs FET SPST开关芯片2，采用了两个FET串联和并联结合的拓扑结构，与单一串联、并联结

11、构相比，单个FET不需要反射所有输入能量，更适合切换高功率微波信号。借鉴PIN开关设计方法使用谐振技术，用电感平行连接于FET的漏-源极两端，补偿晶体管漏源电容，在工作频率发生谐振，提升了开关性能。研制的开关芯片工作在X波段（8.5 GHz），开关带宽1 GHz，直流驱动功耗低、切换时间短，为双向开关。开关插入损耗降低到0.5 dB，隔离度为25 dB，可承受的功率为27 dBm（0.5 W）。由上述可见，FET开关芯片的优势相当明显：（1）FET偏置控制端口与射频传输线自然隔离，偏置电路简化。（2）开、关状态切换时，直流功耗近似为零。（3）FET比PIN有更快的开关速度。其不足之处在于：功率

12、处理能力较PIN小；插入损耗受电路结构影响较大。3 MMIC开关技术31FET器件与开关性能上世纪八十年代起微波开关设计步入场效应晶体管时代，初期人们重点研究FET器件对MMIC开关性能的影响，分析了FET中影响开关性能的参数，用FET品质因素预测开关性能，用测得的散射参数提取FET开关小信号模型等。1981年Mclevige等人以面世的单栅及双栅FET单片开关为例，提出了谐振FET开关简单等效电路模型，指出高阻状态时FET电容性是限制开关性能的重要参数3，其作用随着总栅宽增长而增强，在串联结构开关中限制着关状态隔离度，在并联结构开关中恶化开状态插入损耗，恶化程度随着频率增高而增大，因此有必要

13、使用并联电感谐振技术提升性能。同年Atwater等人详尽分析了FET品质因素（Q值）对开关性能的影响4，提出选用高Q值器件可以提高开关性能，但会降低带宽，应当选择适当Q值使开关在带宽及其他性能之间合理折衷。在使用相同Q值FET情况下，测试了单一串联、单一并联、串并联结合及反射型等不同拓扑结构开关性能，得出串并联结合式结构开关插入损耗最小。1985年Gopinath等人理论上分析了决定开关性能的GaAs FET器件参数，发展出以器件参数为自变量的开关品质因素和功率处理容量的定量关系5，实验验证了FET Q值的平方与有源层密度及厚度、缓冲层厚度成正比，与栅极长度、栅源距离、栅漏距离成反比。使用较小

14、栅极长度、栅源距离、栅漏距离能够提高FET的Q值、增强开关性能。单位栅宽功率密度受以上器件参数影响不大，在源极电阻确定的情况下基本无改变。这些成果为研制高性能开关FET器件指奠定了基础。1988年Ersland等人分析GaAs FET MMIC开关可靠性6，在高温反向偏置和射频偏置下测试了开关寿命，在125测得开关平均失效时间为4×107小时，表明FET开关具有寿命长的优点。失效表现为插入损耗增大，因为欧姆接触层退化，栅极金属与砷化钾交互扩散引起的FET开状态电阻提高。1988年Gilies等人首次提出了使用测量参数建立FET小信号等效电路模型的方法7，通过测试夹具或晶圆片探针测试系

15、统提取FET器件参数后，经S、Y、Z参数变换后能快速地提取出FET小信号模型中元件参数。1990年Berroth对Gilies等人的方法进行了改进，提出了使用Y参量抽取FET器件等效电路中固有元件值的方法8。1994年Ehoud等人提出了用一组S参数提取串联、并联开关FET的等效电路模型的方法9，在0.5-26.5 GHz频段测量了0.5 um栅长300 um栅宽FET经串联及并联组合结构开关的性能，测量结果与理论结果符合。提取的开关FET等效电路模型能有效地预测MMIC开关性能。32高频段宽带开关技术GaAs FET MMIC开关工作频率及带宽直接影响着开关芯片在微波系统中的应用前景。最初的

16、FET微波开关多为窄带开关，随着通信、雷达系统性能提升，对其中FET微波开关的要求逐步升高，经过多年研究发展，宽带超宽带开关相继面世。初期FET开关工作频段较低，都在X波段以下，且芯片都为窄带开关，相对带宽仅为10左右；1983年出现6-19 GHz的收发开关芯片10，将工作频段提升至Ku波段，相对带宽达到100；1987年Schindler等人研制出两种具有代表性的宽带开关芯片11，使开关芯片工作频段达到了Ka波段，相对带宽也达到了200。一种开关使用了四分之一波长传输线阻抗变换技术，工作频率为20-40 GHz，插入损耗为2 dB， 隔离度为25 dB，可承受的功率为23 dBm（200

17、mW）；另一种芯片使用串联结构FET代替四分之一波长传输线以提升带宽，工作频率在DC-40 GHz，插入损耗为3 dB，隔离度为23 dB，功率1 dB压缩点在18 dBm（60 mW）。Schindler所采用的设计方法有效提升了带宽，为随后的开关设计所广泛仿效。 使用四分之一波长传输线阻抗变换技术的SPDT开关芯片如图3所示，并联FET与四分之一波长传输线相连，电路由两个相同且相互独立的传输通路组成。在IN和OUT1之间的FET加负偏置电压，等效为并联电容Coff，可以通过信号。在OUT2这一路FET加零偏置电压，等效为低阻抗电阻Ron，通过四分之一波长传输线阻抗变换，在输入端T型结处转换

18、为高阻抗电阻，隔离射频微波信号。单看OUT1通路，可以清楚解释信号损耗过程，此通路传输线呈电感性，整个通路可看作一条人造传输线，关状态FET寄生电阻Roff是信号损耗主要原因，其等效电容Coff并不直接导致损耗，而是将功率耦合到Roff上，影响由Roff造成的衰减。因为Coff已成为人工传输线组成部分，可使用较低Q值的FET器件构造性能优秀的开关芯片。（a） （b）图3 四分之一波长线结合并联FET的开关拓扑结构 （a）完整的电路拓扑结构 （b）开关等效电路模型 （引自文献11）随后上述构造人造传输线的设计理念得到进一步发展，提出行波开关（traveling wave switch）概念，行波

19、开关芯片设计通过选择适当的FET器件及传输线，使得其寄生电容、电感构造成为人造传输线，减少损耗、提升带宽，可以使开关的工作频段达到V波段。2000年Mizutani等人使用单指栅宽为400 um的异质结场效应晶体管（HJFET）研制行波开关芯片12，信号从HJFET漏极的一端输入，另一端输出，构成传输通路；源极通过多个过孔接地，等效于多个FET并联，整个电路等效于人造传输线。开关工作于DC-110 GHz，插入损耗小于2.55 dB，隔离度优于22.2 dB，芯片面积小，仅为0.85×0.45 mm2。电路设计的不足之处在于需要特殊结构的HJFET实现，但Mizutani率先提出行波

20、开关设计理念，具有启发性意义。2004年Kun-You Lin等人根据行波概念，使用串联微带线与并联HEMT构成人造传输线，通过选择HEMT器件的数量和结构获得所需的带宽和隔离度13。研制的一种SPDT开关芯片使用四分之一波长线阻抗变换，工作在15-80 GHz，插入损耗小于3.6 dB，隔离度大于25 dB。另一种开关芯片用串联HEMT代替阻抗变换线，将带宽扩展至直流频段， SPST开关工作在dc-80 GHz，插入损耗小于3 dB，隔离度优于24 dB；SPDT开关工作在dc-60 GHz，插入损耗小于3 dB，隔离度优于25 dB。行波开关芯片设计方法在V波段及其以下都有着较好的性能。但

21、是在W波段及其以上，由于FET到信号线、到地之间存在寄生电感，限制着开关性能。另一些开关芯片设计从消除这些寄生参数出发，提出拓宽开关带宽的技术方法。(a) (b) (c) 图4（a）传统开关；（b）FET整合传输线开关；（c）FET整合CPW开关 的版图及示意图（引自文献16） 1998年Mizutani等人提出电阻电极共享技术（OEST，Ohmic Electrode Sharing Technology）14。在传统串-并联结构FET开关中，串联FET和并联FET之间需使用传输线，在较高频段会导致阻抗失配和传输损耗，而且串联FET和并联FET的两个源极和两个漏极占用一定芯片空间，并且于背部

22、接地金属之间产生寄生电容。OEST技术将串联-并联两个FET之间相邻近的两个电阻电极合为一个，减少阻抗失配和传输损耗，而且将寄生电容减小为原来的3/4，并有效地减小了芯片面积。Mizutani等人通过OEST技术研制HJFET MMIC SPST开关，工作频率为DC-60 GHz，插入损耗小于1.64 dB，隔离度大于20.6 dB，开关面积极小，为0.52×0.63 mm2，其不足是需要使用特殊的HJFET制造工艺。2003年Junghyun Kim等人使用FET与传输线整合技术，研制宽带SPDT开关芯片15。在传统并联FET开关芯片中，栅极通过通孔接地，由于通孔占用面积较大，漏极

23、只能通过一段附加传输线与主传输线相连，由此产生的寄生电感会在高频段增大开关插入损耗。由此Junghyun Kim等人将FET源极直接联结到传输线上，最大化减小寄生效应，扩展开关带宽，并减少芯片面积。研制的开关有着极其优秀的性能，SPST开关在60 GHz插入损耗为0.4 dB，隔离度为34 dB；SPDT开关工作频率段为40-85 GHz，插入损耗小于2 dB，隔离度高达38 dB。2005年Zuo-Min Tsai等人优化了整合技术16，将FET器件、传输线和地整合入共面波导线中，如图4所示。与传统开关相比，15中的FET整合传输线开关虽然可以消除器件与传输线间电感Lp，但是无法消除通孔电感

24、，会导致开关在高频率段插入损耗增大；而通过器件整合CPW结构不但可以消除器件与传输线间电感Lp，而且可以消除通孔电感，使开关在极高频段也可获得很好性能。Zuo-Min Tsai等人使用0.15 um GaAs pHEMT做出开关芯片有着极宽的宽带，SPST开关工作于DC-135 GHz，插入损耗小于5 dB，隔离度大于15；SPDT开关工作于15-135 GHz，插入损耗小于6 dB，隔离度大于20 dB。图5 开关带宽发展历程，开关芯片的带宽柱状图从上自下选取自文献2101114121316中，其中红色表示使用特殊结构的HJFET工艺实现，蓝色表示使用普通的MESFET、HEMT工艺即可实现

25、。从最早的MMIC开关芯片，到四分之一波长线结合并联FET结构，到行波开关设计，再到FET整合传输线、波导，开关芯片带宽提升显著。33高功率开关技术功率并非FET MMIC开关的强项，但对高功率开关技术的研究从未停歇，使得FET开关芯片能够应用于高功率系统，得以发挥其众多优势。1982年Ayasl等人详尽分析了FET开关芯片功率处理能力17，提出开关功率由FET低阻抗状态电流处理能力（漏源饱和电流IDSS）和高阻抗状态电压承受能力（栅漏、栅源击穿电压）两者共同决定。FET工作在低阻抗状态时，FET栅极宽度决定FET电流处理能力，需要选择适当的总栅宽，使得FET沟道能承受通过的峰值信号电流。假设

26、四分之一波长传输线特征阻抗为Z1，开关可以承受峰值功率为：（1）在FET高阻抗状态下，信号电压要满足如下约束条件：在信号前半周期，总栅极电压不低于夹断电压Vp；在整个信号周期中，漏极与栅极电压差值不超过栅漏雪崩电压VB，由此可以推导，在特征阻抗为Z0的开关中， FET高阻抗状态能承受最大漏源电压和最大功率为：（2）（3） Ayasl等人研制出功率处理能力为10 W的X波段收发开关芯片，开关使用并联结构，在发信和收信两路分别使用3.2mm和1.6mm两个极大栅宽的FET，使用不同特征阻抗的四分之一波长线阻抗变换。开关工作在8-10 GHz带宽内，插入损耗为1 dB，隔离度为25 dB，但芯片面积

27、非常大，为4.5×3.7 mm2。Shifrin等人于1989年发表文章18，提出提升开关功率处理能力的方法，使得GaAs FET开关芯片可应用于高功率控制系统。通过使用多个FET层叠，层叠结构中单个FET均分电压，使得整个层叠结构能够承受更高电压。假设N个FET层叠，整个层叠结构能承受的总电压为单个FET栅漏击穿电压的N倍。同时选择足够大的栅宽，电路可承受总功率Pmax为单个FET功率的N2倍，如公式4所示：（4）Shifrin等人指出开关偏置电路决定开关四个重要工作特性：开关速度、截止频率、直流偏置功耗、开关瞬态电压分布。FET开关芯片有多种偏置电路，选择偏置电路要考虑开关功率处

28、理能力、可用偏置电源、芯片面积等因素。18中采用纯电阻偏置，其中N个FET层叠引起功率损耗与总传输功率之比为：（5）传输功率损耗与开关时间成反比，要获得较小开关时间，势必会引起开关损耗增大，多个FET层叠串联，会使偏置电路功率损耗达不可接受的程度。Peter等人于1992年改进层叠结构开关偏置电路19，提出低损耗的电感性栅极偏置网络，通过在偏置电阻间加上电感，并选择电感使得信号电压波动在FET栅极-源极和栅极-漏极两端均分。栅极串联电阻用于防止栅极电压在开关瞬间形成冲击及补偿开关时间，从层叠底部到顶部逐层递减，获得变化的RC时间常数，补偿信号在电感链路中的传递时间差。改进后的电路降低开关功率损

29、耗，提升了开关速度，并使得开关功率处理能力进一步提高，可制造工作在S、C波段的HMIC开关，并使得开关功率容量高于100 W，但开关相对带宽只能达到10。图6 受层叠技术影响，MMIC开关功率提升显著,开关功率处理能力柱状图从左自右选自文献2171819，其中斜线柱状图为HMIC开关，其余为MMIC开关特别需要指出的是，1819中提出的层叠结构特别适用于HMIC开关，HMIC开关可以通过层叠十几个FET获得100W级别的功率处理能力。而在MMIC开关中，由于存在芯片面积及FET工艺的限制，无法层叠过多FET，限制了芯片的功率处理能力。但不可否认层叠技术为FET MMIC开关功率的提升指明了方向

30、，普通FET MMIC开关能够处理18-25 dBm的功率，而使用层叠结构或多栅极FET器件（性能类似多个FET层叠，而且面积较小），可以设计出30-38 dBm的开关，使FET MMIC功率处理能力提升了一个台阶，如图6所示。 （a） （b）图7 使用串联层叠结构提升功率的收发开关（a）电路示意图；（b）电压在FET层叠结构中均分 （引自文献22）受到层叠开关技术启发，陆续出现各种高功率单片开关设计。1990年Schindler等人研制出宽带高功率收发开关20，使用了以下技术来增大功率处理能力：首先开关使用了双栅FET来代替单栅FET，提升电压处理能力至两倍；其次增大FET的栅宽，提高FET

31、电流处理能力；最后，使用非对称结构的开关设计，发信通路使用双栅FET以提高电压处理能力，而收信通路使用大栅宽FET提高电流处理能力。芯片在2-18 GHz可以承受35 dBm功率（3.2 W）。1998年Masuda等人使用双栅FET层叠三栅FET研制高功率开关21（功率处理能力相当于五个单栅FET层叠，而面积仅为五个单栅FET层叠的59）。功率1 dB压缩点在38 dBm，芯片面积为1.5×1.2 mm2。2002年Numata等人研制出用于GSM的高功率、低控制电压天线开关22，开关芯片使用新型电路结构，通过使用串联层叠技术在较低控制电压下取得较高功率处理能力，如图7所示。研制的

32、SPDT开关可以在+2.4/0 V的控制电压下获得37.5 dBm功率，插入损耗为0.37 dB。34低插入损耗开关技术插入损耗是开关的主要性能之一，定义为理想开关“通”状态传递给负载的功率与实际开关“通”状态传递负载功率的比值，以分贝数表示，理想值是0 dB，表示传递的信号完全无损耗。在多数雷达通信系统中，对开关芯片插入损耗并无特别高要求，降低插入损耗并非研究重点。在开关芯片设计中，通常使用如下方法降低插入损耗：对窄带开关，通过并联谐振补偿器件可有效地降低开关插入损耗，在低频段特别有效（见文献2）；对于宽带开关，使用四分之一波长阻抗变换线做出的开关芯片可以满足大多通信、雷达系统应用要求；若想

33、进一步降低插入损耗，可以使用文献14、15、16中消除寄生参数的设计方法获得更令人满意的性能。随着开关工作频率提高、功率增加，开关插入损耗也会相应增加。工作于不同频率的开关无法比较其性能优劣，即使在同一频率点，不同带宽的开关芯片插入损耗也不具有可比性，本文仅给出应用于移动通信系统（例如GSM、TDMA等）和无线局域网系统中的开关芯片插入损耗比较。从九十年代初，移动通信系统和无线局域网系统面世，至今还在不断发展中，对应用于其中的开关芯片要求是偏置电压低（多用3-5V电源供电）、工作频段低（0.5-2 GHz）。由于GaAs FET开关芯片有着直流功耗小（工作时间长）、芯片面积小的优点，在此类系统

34、中有着无可比拟的优势。开关芯片要求插入损耗尽可能的低，可以提升接收通路低噪声放大器的敏感度，并节省发射通路功率放大器输出功率。1992年Kusunok等人首先研制出用于个人通信的时分双工单片开关23，仅使用3 V电池供电，使用特殊的耗尽型高夹断特性的JFET以及增强型控制式JFET制造。芯片工作在1.9 GHz时，插入损耗为0.7 dB，隔离度为30 dB，切换时间小于100 ns，可处理200 mW的功率，芯片大小为1.5×1.8 mm2。1994年Uda等人研制出在0/-3 V及+3/0 V低控制电压下工作的开关芯片24，如图8所示，芯片在结构上使用传统的串联-并联结构，选用上两

35、种不同夹断电压的FET器件：一种FET夹断电压低（-0.7 V），可获得较高的隔离度；另一种FET夹断电压高（-2.4 V），开状态等效电阻较小且频率范围宽，可以获得较低插入损耗。研制的芯片工作于1.9 GHz，在0/-3 V控制电压下，收信通路获得0.55 dB插入损耗和31 dB隔离度，开关时间小于18 ns。图8 使用不同夹断电压FET为元件的对称结构开关芯片，可获得低插入损耗（引自文献24）此外还发展出专用的器件结构25，通过减小漏源极面积降低FET低阻状态电阻及高阻状态电容，由此减小开关插入损耗，在0.9 GHz可获得0.25 dB的极低插入损耗。图9 移动通信系统中开SPDT关芯片

36、插入损耗逐年减少，开关的插入损耗柱状图从左自右选自文献232425。35高隔离度开关技术隔离度也是开关的主要性能之一，定义为理想开关在“通”态传递给负载的功率与实际开关“断”态传递给负载实际功率之比，是开关“断”态时性能的度量。若通信系统发射通路需要发射大功率信号，则需要高隔离度开关芯片隔离接收通路，以免发射信号时功率泄漏破坏接收通路。图10 对称并联结构的沟道化FET开关，可获得较高隔离度（引自文献26）1989年Houng等人提出一系列提高隔离度的方法26如下：（1）使用对称的并联FET拓扑结构（即在传输线两侧同时使用FET并联，而非传统结构中在传输线一侧使用FET），对提升宽带MMIC开

37、关隔离度尤其有效；（2）在微带线两侧制造一系列通孔，使MMIC芯片表面形成接地层，使微带线信道化以减少射频耦合效应； (3）使用开关芯片表面形成的接地层抑制表面波传输；（4）芯片边缘接地，进一步提升高频下开关隔离度；（5）使线间距大于底层厚度的三倍以上来满足隔离度要求；（6）芯片周长尺度最小，使得由不连续微带线产生的谐振效应高于工作频率；（7）沟道化微带线封装，以维持整个开关芯片的隔离度。开关结构如图10所示，研制的开关工作在2-19 GHz，SPST开关插入损耗为2.7 dB，隔离度高达70 dB；SPDT开关插入损耗为3 dB隔离度高达60 dB。图11 双T型高隔离度开关等效电路模型，可

38、获得高隔离度（引自文献27）1996年Imai等人研制出新型拓扑结构的FET开关芯片27，与传统开关相比可以获得更高隔离度，新型拓扑结构开关由串联-并联FET及T型R-C-R电路组成，如图11所示。利用关状态FET的寄生电容，在工作频率构成带阻滤波器，通过选择R和C的值可以决定所需抑制频率，使用这种拓扑结构可以在低频率段获得比传统开关高15 dB的隔离度。Imai等人对传统开关拓扑结构和双T开关拓扑结构进行了全面的数学分析和计算机仿真模拟，证明了他们技术的有效性。研制开关电路隔离度高于60dB。图12不同的开关芯片技术获得隔离度，普通开关芯片隔离度约为20-30 dB，隔离度较好的开关芯片可以

39、达到30-35 dB，2627中叙述的高隔离度开关隔离度可以达到60 dB。36高速开关技术与其它开关相比，极快的开关速度是GaAs FET开关芯片的优势之一。PIN二极管用作微波开关时，限制开关速度的主要因素是当二极管偏置切换时，从本征区域移动电荷需要的时间，由本征层厚度决定，通常PIN开关速度为100 ns左右；而FET开关速度几乎不受GaAs FET器件自身限制，主要由偏置电路决定，最常用的是电阻偏置，此时开关时间为偏置电阻和栅极等效电容乘积，通常FET开关速度为1-10 ns。随着技术的进展还出现了亚纳秒级的超高速开关，如图13所示。图13 FET开关芯片具有明显的速度优势1998年M

40、adihia等人设计并制造亚纳秒级的谐振型收发开关芯片，用于毫米波无线网络系统28，芯片采用新型拓扑结构，如图14所示，每条通路并联一对FET，使FET与电感性传输线TIND串联，而与电容性传输线TCAP并联。当通路上一对FET正向偏置表现为低电阻时，电感性传输线和电容性传输线形成并联谐振带阻电路阻隔信号，所在通路导通；当FET反向偏置表现为电容特性时，与传输线形成串联谐振带通电路导通信号，所在通路阻隔。T1和T2位置使用了四分之一波长传输线，以消除串联短路对另一通路上信号影响，并维持高隔离度。Madihia等人研制的开关工作在57-61 GHz，插入损耗低于3.9 dB，隔离度大于41 dB

41、，开关速度为250 ps，芯片尺寸为3.3×1.7 mm2。图14 新型拓扑结构的亚纳秒级谐振型单片收发开关（引自文献28）37开关小型化技术电路面积是单片电路设计中的重要参数，电路面积越小，芯片的产量和成品率越高。1988年Bryant等人认为，传统50欧四分之一波长线物理面积大并限制开关带宽，与FET并联的高阻谐振电感也是占用开关芯片面积的主要原因之一。因此Bryant等人并未使用传统四分之一波长线结合并联谐振电感，而是使用十分之一波长高阻抗传输线做电感，与并联FET构成低通滤波器，所有FET共用一个通孔接地减小芯片面积。研制出Ku波段小面积SPDT开关芯片29，如图15所示，开

42、关工作在14到18 GHz，插入损耗为2 dB，隔离度为18 dB，承受的功率为1.5 W，驻波比低于1.5。芯片尺寸为1.3×1.3×0.15 mm3，在3英寸的晶圆片上可以制造2300个以上的芯片。除此之外，14中提到的采用OEST技术的开关在芯片面积方面表现出众，为0.52×0.63 mm2。图15 Ku波段小芯片面积开关（引自文献29）4MMIC开关技术的发展趋势展望FET开关芯片发展至今，无论是器件还是开关性能都取得了巨大进步，FET开关器件从最早的MESFET，到HJFET、HEMT，器件性能逐步提升，伴随着设计方法改善、新设计技术的出现，使得开关性能

43、提高相当明显。开关工作波段从最早的L、S射频段，发展到X、Ka的微波段，到现在工作在Q、V、W毫米波段，开关带宽从最早的2 GHz左右的窄带，发展到九十年代左右40 GHz的宽带，再到二十一世纪的120 GHz的超宽带，取得了显著的提高；目前高功率开关的核心器件依然采用PIN二级管，但随着半导体材料制造技术的发展，对GaN、SiC等高温宽能带隙半导体材料来说，功率也不会再是场效应晶体管的弱项了，未来的场效应管开关芯片可以承受较高的功率。由于开关的频段不同，隔离度和插入损耗等开关性能无法明确比较，但是它们是衡量开关性能的重要指标，一直在得到提高，还出现了专门的实现低插入损耗、高隔离度的技术；速度

44、是FET开关的优势所在，出现了亚纳秒级的超高速开关；受到现在通信系统高集成度的影响，开关芯片面积也在一直缩小。未来的毫米波开关将沿着体积小、重量轻、成本低的单片MMIC技术方向发展，在更高更宽频率段获得更好的性能。5参考文献1 R. A. Gaspari and H. Yee, “Microwave GaAs FET switching” 1978 IEEE International Microwave Symposium Digest, pp. 58-602 W. V. McLevige and V. Sokolov, “Microwave switching with parallel-

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